Mạch khuếch đại tần số cao

CHƯƠNG IV MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẦN SỐ CAO Mạch khuếch đại tần số cao là mạch có độ lợi cao, ít tạp âm, có mạch điều hợp dải thông hẹp, là mạch khuếch đại sóng cao tần đầu tiên ở các máy thu thanh mạch khuếch đại tần số trung gian ở các máy thu đổi tần số, là mạch khuếch đại trung gian hay mạch khuếch đại cuối cùng trong máy phát. Mỗi loại mạch có các yêu cầu và chỉ tiêu riêng tùy theo chức năng, tuy nhiên về cơ bản chúng là các mạch khuếch đại dải hẹp. Do vậy bài này sẽ giới thiệu các loại mạch dải hẹp cơ bản sau đó sẽ giới thiệu cụ thể hơn các loại mạch khuếch đại cao tần và trung tần. Mạch khuếch đại tần số cao cũng có thể có dải thông rộng do yêu cầu ghép nhiều kênh hoặc tạo điều kiện cho máy phát sóng chuyển đổi tần số dễ dàng hơn. I. Mạch khuếch đại điều hợp đơn: Mạch khuếch đại điều hợp đơn là mạch khuếch đại dải hẹp đơn giản nhất, ngõ ra có mạch lọc cộng hưởng là khung dao động LC như sơ đồ cơ bản sau đây (H. IV-1). H.IV-1 H.IV-2 Đây là mạch khuếch đại cực phát nối mass thông thường mà ta không cần nói lại nguyên lý làm việc mà chỉ lưu ý khung dao động LC, ở ngõ ra vẽ sơ đồ tương đương của mạch và phân tích (H. IV-2). Lưu ý rằng khung dao động LCRp ở H. IV-2 tương đương với khung LRsC ở H. IV-1, trong đó là tần số dao động tự nhiên của hai khung LC. . Rs và Rp là điện trở liên quan đến hệ số phẩm chất Q của khung dao động kể cả tổng trở ra của mạch khuếch đại. Hàm truyền của mạch là: ;. Vậy: Thay là tần số dao động tự nhiên của khung dao động LC. , ý nghĩa của a sẽ được biết sau. Hai cực p1 và p2 của Av(s) là: Thay wo2 - a2 = b: p1= -a +jb; p2= -a -jb Zero của hàm truyền là 0. Giản đồ cực zero được vẽ ở H. IV-3a và H. IV-3b. Trong các mạch cao tần, hệ số Q của khung dao động bằng khoảng 200. s – p1 b » wo b b) a) s = jw s = jw Reư Im s - p2 Im Reư s – p1 s - p2 p2 -b -a p1 eo p1 -a p2 -b H. IV-3 Vậy w » 200a, wo >>a, hai cực p1 và p2 ở rất gần trục Im. Để nghiên cứu mạch ở chế độ xác lập thay s = jw. Vậy trong trường hợp hệ số Q của khung dao động . Ta có trong trường hợp mạch dãy hẹp(w-wo nhỏ). b » wo. s = jw » jw0. Vậy: . (H.IV-4a). s – p1 jwl jwh BW = 2a = 1/RC wl wh a a p1 p1 s = jw0 H. IV-4a H. IV-4b Đường biểu diễn biến thiên hệ số khuếch đại của mạch điều hợp đơn theo tần số có dạng như hình H. IV-5 khi tần số w không khác tần số dao động tự do của khung dao động LCRp. Dải thông của mạch và hệ số khuếch đại ở tần số được xác định bằng: Av(w) Av(wo) Dải thông của mạch bằng: 0 wl wo wh BW H. IV-5 Tích số Av(wo)xBW bằng: . Như vậy khi hệ số khuếch đại của mạch lớn gấp 2 gấp 3 lần thì dải thông của mạch chỉ còn bằng 1/2, 1/3 nếu tần số làm việc không đổi (H. IV-6). Ta biết rằng hệ số phẩm chất Qo của khung dao động LC ở tần số dao động tự nhiên bằng . Tần số làm việc của mạch càng cao thì Rs tăng do hiệu ứng da, Qo càng giảm khiến dải thông của mạch tăng. Rs tăng thì Rp giảm khiến hệ số khuếch đại của mạch Av(w 0) giảm. Để tìm hàm truyền của mạch ở dạng khác ta trở lại hệ thức: Thay s = jw; p1 » -a + jwo. Ta có: Đặt w - wo = Dw, ta có: Thay và , ta có: , BW : dải thông Trên đây là các dạng hàm truyền của mạch khuếch đại điều hợp đơn thường gặp với: : tần số dao động tự nhiên của khung LC wl2 wl2 wo wh1 wh2 H.IV-6 . Dw: tần số lệch so với tần số dao động tự nhiên. II. Mạch khuếch đại điều hợp đơn dùng transistor: Mạch cơ bản đem ra nghiên cứu ở trên chỉ có thể sử dụng được nếu giải thông ở mức qui định. Thông thường tổng trở ra của transistor chỉ khoảng 5K khiến cho điện trở Rp trong khung dao động CLRp có hệ số Qo quá thấp đẫn đến dải thông BW của mạch khuếch đại quá rộng và độ lợi không đủ cao. Để tránh tác động nới rộng dải thông quá đáng của tổng trở ra transistor ta có thể cải thiện sơ đồ trên ra sơ đồ H. IV-7. L, Rs H. IV-7 Như vậy tổng trở ra vào khoảng 5K của transistor được nối vào n1 vòng của cuộn cảm L gồm n2 vòng. Tổng trở mắc song song với khung dao động LCRs bằng với , ta có thể thiết kế sao cho dải thông của mạch khuếch đại ở mức qui định theo yêu cầu. Để tổng trở vào của tầng sau không giảm hệ số Qo, điện áp ra là điện áp thứ cấp máy biến áp có số vòng n3 < n2. III. Mạch khuếch đại điều hợp đơn ghép nhiều tầng: Nhiều mạch khuếch đại điều hợp đơn có thể ghép liên tiếp nhau thành mạch ghép tần. Có hai phương pháp ghép là ghép đồng bộ và ghép lệch tần sốù: 1. Ghép đồng bộ: Nếu hai tầng giống nhau được ghép liên tiếp nhau, hai tầng được ghép đồng bộ. Giản đồ zero cực sẽ như hình IV-48. Hai zero và hai đôi cực liên liên hợp của hai tầng có cùng các vị trí. Im Re -a H.IV-8 Đáp tuyến biên tần của 2 tần số giống nhau nếu hiệu ứng Miller là hiệu ứng làm thay đổi L và C của các khung dao động không đáng kể, là đáp tuyến của 1 tầng với hàm truyền được bình phương lên. Cụ thể là nếu hàm truyền của mỗi tầng là: . thì hàm truyền của hai tầng ghép là: . Nếu có n tầng giống nhau ghép đồng bộ thì: Hệ số khuếch đại bằng: BW : dải thông của mỗi tầng. Muốn tính dải thông của n tầng ghép đồng BWn = 2Dw, ta đặt: . Vậy: 2. Ghép lệch tần số: Nếu hai tầng điều hợp đơn có tần số cộng hưởng là w01 và w02 và cùng một dải thông BW =2a = 1/RC thì giản đồ zero cực như H. IV-9. Hàm truyền của các tầng là: w01 w02 p1 p3 jw Đặt. Im p4 p2 -a Re , tần số cộng hưởng của khung L1C1 ở mạch 2. , tần số cộng hưởng của khung L1C1 ở mạch 1. H.IV-9 Hàm truyền của hai tầng là: zero kép: s = 0; Đôi cực liên hợp thứ nhất: p1 » -a + jw01; p2 » -a - jw01. Đôi cực liên hợp thứ nhì: p3 » -a + jw02; p4 » -a - jw02. Ta có: . Vậy: Nếu xét ở chế độ xác lập ở tần số w không cách xa w01 và w02 thì thay s = jw. Ta có: s –p2 » 2jw0; s – p4 » 2jw0. . Để nghiên cứu hệ số khuếch đại cùng các đặc tính khác ta vẽ phóng đại vùng có hai cực p1 và p3 (H.IV-10). Hệ số khuếch đại của 2 tầng bằng: Với ; I p3 p1 H.IV-10 Dw0 Im a wc w w02 wM2 wM1 w01 Đáp tuyến biên tần có một đỉnh hay hai đỉnh cực đại tùy theo khoảng tần số lệch Dw0 so với trí số có 3 trường hợp: * Nếu : vòng tròn bán kính p1p3 không được đường thẳng đứng w01w02 cắt, đáp tuyến biên tần chỉ có một đỉnh ứng với tần số giữa . Hệ số khuếch đại . Nếu = giải thông của một tầng. Đường thẳng đứng w01w02 tiếp xúc với vòng tròn bán kính p1p3 tại điểm , đáp tuyến biên tần phẳng nhất và chỉ có một đỉnh ứng với tần số giữa wc; . Nếu = giải thông của một tầng. Đường thẳng w01w02 cắt vòng tròn bán kính p1p3 tại hai điểm wM1 và wM2 là hai tần số ứng với hai đỉnh độ lợi cực đại của đáp ứng biên tần. (H.IV-11). Đáp tuyến 1: có một đỉnh Đáp tuyến 2: đáp tuyến phẳng nhất w01 wM1 wC wM2 w02 H.IV-11 Đáp tuyến 3: có hai đỉnh (khi w = wM1 = wM2, F = 90o.) Phương pháp ghép lệch tần số thường được áp dụng khi cần dải thông rộng đến vài MHz như trường hợp mạch khuếch đại trung tần hình máy thu vô tuyến truyền hình gồm ba tầng ghép lệch tần số. IV. Mạch khuếch đại điều hợp kép: Mạch khuếch đại điều hợp kép là mạch khuếch đại có hai khung dao động LC ghép cách nhau một tụ điện ghép Cm. Một cảm kháng ghép Lm hay hai cuộn cảm của hai khung dao động ghép hỗ cảm nhau như H. IV-12a, b, c sau đây. Việc phân tích các mạch và xác định hàm truyền cần khá nhiều thời gian nên tác giả không nêu ra trong môn này mà chỉ tóm lược rằng giản đồ cực của các hàm truyền cũng có zero và hai đôi cực liên hợp giống như H. IV-9. H. IV-12 Tùy theo giá trị của tụ điện ghép Cm, điện cảm ghép Lm hay hỗ cảm mM mà đáp tuyến biên tần có một đỉnh thấp, một đỉnh trị cực đại hay hai đỉnh trị cực đại (H.IV-13). So với mạch khuếch đại điều hợp đơn mạch khuếch đại điều hợp kép có đáp tuyến biên tần gần với điều kiện lý tưởng hơn (H.IV-14a, b). wM1 wC wM2 H.IV-13 Mạch khuếch đại điều hợp kép Mạch khuếch đại điều hợp đơn Đáp tuyến lý tưởng w0 w0 b) a) dải thông yêu cầu BW BW H.IV-14 V. Mạch khuếch đại dùng bộ lọc tinh thể hoặc cơ khí: Mạch điều hợp đơn và kép chúng ta vừa nghiên cứu trong nhiều trường hợp có thể không đạt yêu cầu cao. Mạch khuếch đại điều hợp đơn có đáp tuyến ít đạt yêu cầu nhất nhưng nếu có phương pháp ghép nhiều tầng thích hợp ta cũng có thể có mạch khuếch đại đạt yêu cầu về giải thông, độ lọc và độ tuyển lọc. Mạch điều hợp đơn chỉ có một khung dao động LC ở mỗi tầng do vậy rất dễ điều chỉnh lại khi ghép tầng đồng bộ. Việc điều chỉnh nhiều tầng điều hợp đơn ghép lệch tần rất phức tạp, yêu cầu phải có máy phát quét tần số cùng máy hiện sóng theo dõi đáp tuyến biên tần. Mạch khuếch đại điều hợp kép có đáp tuyến đạt yêu cầu hơn nhưng lại khó điều chỉnh cùng yêu cầu có máy phát quét tần số và máy hiện sóng . Mạch khuếch đại dùng tinh thể hay bộ lọc cơ khí hiện nay là mạch có đáp tyến biên tần gần với điều kiện lý tưởng nhất đạt yêu cầu của kỹ thuật truyền sóng đơn biên và ghép kênh phân chia giải tần. Sau đây là các loại linh kiện lọc, đặc tính và ứng dụng: 1. Tinh thể thạch anh: Nhiều vật liệu thiên nhiên như thạch anh, muối Rochelle (Kali natri nitrate) có đặc tính áp điện tức là đặc tính sinh ra điện áp khi có lực nén hay căng tác động và ngược lại, khi đặt giữa hai điện áp, tinh thể tạo tác động lực nén hay căng. Tinh thể học lại giúp chúng ta biết các đặc tính cơ của tinh thể khi chúng được cắt thành lá với các mặt cắt khác nhau theo các trục tinh thể làm trục quy chiếu. Đặc tính cơ liên quan với tính áp điện là tần số dao động cơ khí của lát cắt thay đổi nhiều hay ít theo nhiệt độ, thay đổi theo quan hệ nào đối với nhiệt độ. Một số vật liệu áp điện nhân tạo cũng đã được chế tạo như ADP, EDT và DKT, thạch anh tổng hợp được dùng để chế tạo tinh thể lọc. b) a) lớp mạ kim loại lát cắt thạch anh điện dung điện cực sơ đồ tương đương tinh thể thạch anh dây dẫn dây dẫn lực nén lực nén lớp mạ kim loại H.IV-14 H. IV-14a là cấu tạo của một tinh thể. Do tinh thể thạch anh vừa có tính áp điện lẫn có tính đàn hồi nên hiện tượnh dao động cơ khí của lát thạch anh sinh ra điện áp xoay chiều có tần số bằng tần số dao động cơ khí. Tinh thể thạch anh cấu tạo như hình H.IV-14b tương đương với mạch cộng hưởng nối tiếp RcLcCc mắc song song với tụ điện Cd là điện dung hình thành bởi hai lớp hai bên lát cắt (H.IV-14b). Z f b) a) - + f fc fp fc fp H.IV-15 Đường biểu diễn biến thiên tổng hợp của tinh thể là H.IV-15a, H.IV-15b là đường biểu diễn biến thiên dung - cảm kháng của tinh thể theo tần số f. Có hai tần số cộng hưởng là fc và fp, fc là tần số cộng hưởng của mạch nối tiếp RcLcCc tương đương với tính áp điện và tính đàn hồi của thạch anh. Tần số cộng hưỏng thứ hai fp là tần số cộng hưởng của mạch song song gồm điện dung Cd mắc song song với mạch LcRcCc có cảm tính do tần số cao hơn fc. Tinh thể tương đương với mạch cộng hưởng có hệ số Q lên đến 100.000. Tần số dao động cơ khí của thạch anh phụ thuộc vào bề dày của lát thạch anh và có thể thay đổi nhiều hay ít theo nhiệt độ, tùy theo phương cắt lát theo các trục tinh thể là trục điện, trục quang và trục cơ (H.IV-16). Tinh thể có tần số ổn định với nhiệt độ được cắt lát theo một phương xác định trên cơ sở tinh thể học. Người ta có thể chế tạo tinh thể có hệ số nhiệt độ rất thấp chỉ vào khoảng từ –1 đến +1Hz cho mỗi MHz và mỗi độ bách phân. Tần số thay đổi Df = K.(fn .DC). Df: tần số thay đổi (Hz). K là hệ số nhiệt độ. fc là tần số tự nhiên của tinh thể. DC là nhiệt độ thay đổi. Tần số thạch anh ở trong khoảng 1KHz – 100MHz. Thạch anh tần số thấp hơn 1KHz có bề dày quá lớn, không thể chế tạo được. Thạch anh tần số trên 100MHz quá mỏng rất dễ vỡ. Tinh thể thạch anh là bộ phận lọc ít gây tổn hao tín hiệu nhất. Trục Y hay trục cơ Trục Z hay trục quang Trục X hay trục điện Y Z X Nhiều tinh thể thạch anh có thể kết hợp với mạch điều hợp LC làm mạch lọc đặt vào tứ cực ABCD (H.IV-17a) để có mạch khuếch đại dải hẹp dùng trong kỹ thuật truyền đơn biên (H.IV-17) hay mạch khuếch đại. H.IV-16 X1, X2 làm việc ở tần số cắt thấp fL, X3 và X4 làm việc ở tần số cao fH. 2 mạch điều hợp đôi có tần số giữa là fc. H.IV-17 dùng trong mạch khuếch đại dải hẹp như mạch khuếch đại trung tần fl fc fh 2. Bộ lọc sứ: Bộ lọc sứ được chế tạo bằng Zinconat – titanat chì cũng có tính đàn hồi và áp điện như thạch anh, tuy nhiên tổn hao của tín hiệu lớn hơn thạch anh rất nhiều, hệ số Q khoảng 2000, giá thành rẻ hơn, khó vỡ hơn. Bộ lọc sứ yêu cầu mạch khuếch đại độ lợi cao để bù lại tổn hao tín hiệu nên dùng kết hợp với mạch điều hợp đơn để loại tạp âm, cần lưu ý vấn đề dung hợp tổng trở, nên dùng bộ lọc ghép liên tiếp qua trung gian mạch cộng hưởng LC. Tần số cộng hưởng bộ lọc sứ ở trong khoảng từ 10KHz đến 10,7MHz thường được sử dụng ở mạch khuếch đại trung tần. 3. Bộ lọc cơ khí: Bộ lọc này gồm nhiều đĩa cộng hưởng cơ khí làm bằng kim loại đàn hồi ghép với một cần như H. IV-18. đĩa cộng hưởng Bộ chuyển đổi điện cơ ngõ vào Bộ chuyển đổi cơ điện ngõ ra cần truyền chấn động H.IV-18 Chấn động cộng hưởng được truyền từ đĩa trước đến đĩa sau, khởi đầu tín hiệu điện vào bộ chuyển đổi điện cơ, chuyển điện có tần số cần lọc ra dao động cơ khí truyền qua các đĩa trung gian cần truyền chấn động. Mỗi đĩa tương đương với bộ phận dao động LC, đĩa sau cùng truyền dao động cơ khí vào bộ chuyển đổi cơ điện để có tín hiệu tại ngõ ra. Bộ lọc cơ khí có tần số làm việc từ 50KHz đến 500KHz, kết hợp với mạch khuếch đại thành mạch khuếch đại dãi hẹp như mạch khuếch đại trung tần. 4.Bộ lọc sóng bề mặt: Khác với sóng chấn động truyền trong khối lát cắt thạch anh hay phiến sứ, bộ lọc này truyền tín hiệu bằng sóng bề mặt truyền trên bề mặt của lát cắt tinh thể thạch anh hay phiến sứ. Bộ lọc được cấu tạo như H. IV-19: các điện cực vào và ra có dạng răng lược hoặc các dạng khác xen kẽ nhau, được hình thành bằng phương pháp in giống như làm mạch in, dạng điện cực được thiết kế sao cho có đáp tuyến như yêu cầu. nền chất áp điện mặt truyền sóng điện áp vào điện áp ra H.IV-19 Đặc tính của bộ lọc rất ổn định với thời gian sử dụng do vậy rất thông dụng trong các mạch khuếch đại trung tần, máy thu thanh và máy thu vô tuyến truyền hình. Bộ lọc này còn được gọi là bộ lọc SAW (Surface Acoustic Wave filter). Nhược điểm của loại này là gây tổn hao tín hiệu rất nhiều do vậy cần mạch khuếch đại có độ lợi cao. VI. Mạch khuếch đại trung tần máy thu: Mạch khuếch đại trung tần máy thu là mạch điều hợp đơn, điều hợp đôi hoặc có mạch lọc tinh thể, mạch lọc SAW có độ lợi cao, yêu cầu tần số và dải tần không đổi do vậy dễ thiết kế, dễ đạt yêu cầu dãi tần chính xác để có độ tuyển lọc cao. Mạch khuếch đại có thể gồm từ hai đến năm tầng ghép liên tiếp nhau. Nguyên lý các mạch lọc dãi hẹp đã được nói đến ở các phần trước. H. IV-20 là sơ đồ tiêu biểu hai tầng dùng linh kiện rời ở máy thu thanh điều biên. Các mạch điều hợp đơn TT2 và TT3 là máy biến áp trung tần điều chỉnh ở tần số 455KHz. Dãi thông của mạch hai tầng này là 10KHz. Mạch khuếch đại trung tần máy thu FM cũng có sơ đồ tương tự nhưng thông thường có nhiều tầng hơn, tần số giữa bằng 10,7MHz, dải thông 150KHz. H.IV-20 Hiện nay có nhiều máy thu dùng vi mạch khuếch đại trung tần, dùng bộ lọc thạch anh hay SAW, có dãi thông chính xác gần như đạt yêu cầu lý tưởng. Có máy thu dùng mạch khuếch đại trung tần chung cho sóng AM lẫn sóng FM. Sinh viên nếu có yêu cầu cụ thể có thể tham khảo các tài liệu cụ thể hơn. Sau đây là mạch dùng bộ lọc SAW kết hợp với mạch điều hợp (H. IV-21). Mạch có bộ lọc SAW luôn luôn được kết hợp với mạch điều hợp. H.IV-21 VII. Mạch khuếch đại cao tần máy thu: Mạch khuếch đại cao tần máy thu là mạch khuếch đại dải hẹp, khác với mạch khuếch đại trung tần là tần số có thể điều chỉnh được từ thấp đến cao nhất trong mỗi băng tần, do vậy phải là mạch điều hợp đơn. Do chỉ có một nửa số linh kiện được dùng để thay đổi tần số như tụ điện điều chỉnh. Cơ sở của mạch điều hợp đơn đã nói ở phần I, từ đó ta thấy một số nhược điểm cơ bản của mạch như sau: - Mạch không làm việc ở tần số ổn định như mạch khuếch đại trung tần do vậy dãi thông của mạch không ổn định. Ở tần số cao dãi thông hẹp ở tần số thấp dãi thông rộng. Tích số độ lợi với dãi thông không đổi do đó khi dãi thông hẹp thì độ lợi cao, khi dãi thông rộng thì độ lợi lại giảm. Như vậy độ lợi của mạch cũng không ổn định với tần số làm việc. - Mạch rất khó điều chỉnh để làm việc trong điều kiện tối ưu về dải thông ở mọi tần số trong một băng tần. - Do làm việc với độ lợi thay đổi, dải thông thay đổi trong điều kiện không tối ưu, mạch rất dễ mất ổn định. Với tất cả nhược điểm trên, mạch khuếch đại cao tần không thể có độ lợi cao và ổn định được. Mạch chỉ được dùng ở máy thu tần số VHF như máy thu FM hoặc máy thu vô tuyến truyền hình. Ngày nay, nhiều máy thu AM dân dụng không có mạch khuếch đại cao tần. Để bù lại, mạch khuếch đại trung tần được cải thiện cho có độ lợi cao, dải thông chính xác. Máy thu AM chuyên dụng có độ nhậy cao cần mạch khuếch đại cao tần để loại tần số ảnh (sẽ được nói đến ở phần đổi tần) Sau đây là sơ đồ tiêu biểu dùng linh kiện rời (H. IV-22) Ca1 và Ca2 được điều chỉnh đồng thời H.IV-22 Các tụ điện biến đổi Ca1 và Ca2 là tụ điện đồng chỉnh cho hai khung dao động có cùng tần số cộng hưởng. Khi điều chỉnh tần số các tụ điện tinh chỉnh Ta1 và Ta2 chỉnh tần số cao. Lõi ferit F chỉnh tần số thấp của băng tần. AGC là điểm nối với mạch tự động chỉnh độ lợi (sẽ nói sau). Mạch chỉ có một tầng vì không thể có độ lợi cao và ổn định. Nếu có nhiều tầng, việc đồng chỉnh nhiều tụ điện biến đổi trở nên phức tạp hơn. VIII. Mạch khuếch đại cao tần dãi rộng: