70

CHƯƠNG 5 TRỘN TẦN

5.1 Định nghĩa 5.1.1 Định nghĩa

Trộn tần là quá trình tác động lên hai tín hiệu sao cho trên đầu ra của bộ trộn nhận được tín hiệu tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó.

Gọi : fns : là tần số của tín hiệu ngoại sai

fth : là tần số của tín hiệu cần trộn với fns

ftg : là tần số trung gian lấy ở đầu ra của bộ trộn tần.

5.1.2 Nguyên tắc Khi tín hiệu ngoại sai và tín hiệu hữu ích đưa vào phần tử phi tuyến thì dòng điện

tổng hợp được khai triển theo chuỗi Taylo.

i = ao + a1v + a2v2 + ... anvn + ...

Trong đó : v = vns + vth

Giả sử : vns = Vns cosωnst

vth = Vth cosωtht

⇒ i = ao + a1 (Vns cos ωnst + Vth cos ωtht) + )(2

222thns VVa

+ +

+ 2

2a ( cos 2ω2nsV nst + ( cos2ω2

thV tht) + a2VnsVth[cos(ωns + ωth)t+cos (ωns - ωth)t]+..

Tín hiệu ra gồm có thành phần một chiều, thành phần cơ bản : (ωns, ωth ,ωns± ωth, 2ωns, 2ωth . Ngoài ra còn có các thành phần bậc cao.

ω = | nωns ± mωth|

Khi m, n = 1 ⇒ ω =ωns± ωth : bộ trộn tần đơn giản

m, n > 1 ⇒ bộ trộn tần tổ hợp.

Thông thường ta chọn bộ trộn tần đơn giản.

5.2 Mạch trộn tần 5.2.1. Mạch trộn tần dùng Diode

Ưu điểm : được ứng dụng rộng rãi ở mọi tần số, đặc biệt ở phạm vi tần số cao (trên 1GHz). Nhược điểm : làm suy giảm tín hiệu.

71

R3s

C1 C2 C3 L1

L2

L3

a)

vth vtg

b)

vns

vns

vtgvth

c)

vns

vtgvth

Hình 5.1. Mạch trộn tần dùng diode

a. Mạch trộn tần đơn. b. Mạch trộn cân bằng

c. Mạch trộn tần vòng.

5.2.1.1. Sơ đồ trộn tần đơn :

72

π/2 ωnst

i S

S

ωns

C2 Vns

v

Hình 5.2. Đặc tuyến của diode và dạng sóng tín hiệu

Theo đặc tuyến lý tưởng hóa của diode ta viết được quan hệ :

i = ⎩⎨⎧

<≥00

0.vkhi

vkhivs

Trong đó : iiu

i GRd

ds ===

1

Vì điện áp ngoại sai là hàm tuần hoàn theo thời gian, nên hỗ dẫn là một dãy xung vuông góc với độ rộng phụ thuộc vào góc cắt θ. Với điểm đỉnh chọn tại gốc tọa độ

2πθ = .

Theo chuỗi Fourier ta tính được biên độ hai bậc n của S :

Sn = Sn

ntdtnS nso

ns .sin2)(cos2πθωω

π

θ

=∫

Thay 2πθ = và giả thiết n = 1 ta tính được hỗ dẫn trộn tần :

Stt = πSSn =2

1

Tương tự điện dẫn trộn tần được xác định :

πθω

π

θ StdGGG nsiioitt === ∫0

)(1 Với 2πθ = thì Gitt =

2S

Chú ý : để chống tạp âm ngoại sai, thường dùng sơ đồ trộn tần cân bằng.

5.2.1.2. Sơ đồ trộn tần cân bằng (hình 5.1)

Điện áp tín hiệu đặt lên hai diode ngược pha.

Điện áp ngoại sai đặt lên hai diode đồng pha.

73

VthD1 = Vth cos ωtht

VthD2 = Vth cos (ωtht + π)

VnsD1 = Vns D2 = vns

Dòng điện trung tần tạo ra đi qua các diode :

itg1 = Itg1 cos (ωns - ωth) t

itg2 =Itg2 cos [(ωns - ωth) t - π]

= Itg2 cos [π - (ωns - ωth)]

= -Itg2 cos [ωns - ωth]t

Trên mạch cộng hưởng ra ta được :

itg = itg1 - itg2 = 2Itg.cosωtgt

5.2.1.3. Mạch trộn tần vòng

Gồm 2 mạch trộn tần cân bằng mắc nối tiếp. Trên đầu ra sơ đồ này chỉ có các thành phần tần số ωns± ωth còn các thành phần khác đều bị khử do đó dễ tách được thành phần tần số trung gian mong muốn.

5.2.2. Mạch trộn tần dùng phần tử khuếch đại

5.2.2.1. Mạch trộn tần dùng BJT

vth ~

~ vns

~ ~ vth vns

Hình 5.3. Mạch trộn tần dùng BJT Mắc BC với Vns đặt vào emiter

Hình 5.4. Mạch trộn tần dùng BJT Mắc BC với Vns đặt vào base

Hình 5.5. Mạch trộn tần dùng BJT Mắc EC với Vns đặt vào base

~ ~

vth

vns

~ ~ vth vns

Hình 5.6. Mạch trộn tần dùng BJT Mắc EC với Vns đặt vào emiter

74

• Đặc điểm của sơ đồ BC

- Phạm vi tần số cao và siêu cao vì tần số giới hạn của nó cao. - Hệ số truyền đạt của bộ phận trộn tần thấp hơn so với sơ đồ EC.

• Các sơ đồ khác nhau ở cách đặt điện áp ngoại sai vào BJT: Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý, người ta đã thiết kế nhiều loại sơ đồ thực tế khác

nhau như dưới đây : A. Trộn tần dùng BJT mắc theo BC

A) Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc theo BC với điện áp ngoại sai vns đặt vào

bazơ C1 , C3 : tụ liên lạc; C2L2 : cộng hưởng Vth; C4 : nối masse Vth. Điện áp vns ghép lỏng với bazơ để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa mạch tín hiệu

và mạch ngoại sai.

B. Trộn tần dùng BJT đơn mắc theo EC

-VCC

vns

vtg

vth

C5 L5 L4

R4

R3

R2

L1 L2

C4

C3

C2

C1 R1

Hình 5.7. Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc BC với Vns đặt vào base

- VCC

C6

L4C7 L5

C5

L1 L2 C1 R1

C2

C3

C4

R2

R3

R4

vns

Hình 5.8. Mạch trộn tần dùng BJT đơn mắc EC với Vns đặt vào base

vtg

vth

75

B) Mạch điện trộn tần dùng BJT đơn mắc EC với vns ở bazơ.

Điện áp vns được đặt vào bazơ qua điện trở nhỏ R3 (10 - 50)Ω, điện trở này có tác dụng nâng cao điện trở mặt ghép rbb’ của BJT, do đó nâng cao được độ tuyến tính của đặc tuyến BJT.

C. Tầng trộn tần tự động

VCC

Hình 5.9. Mạch trộn tần tự động

‘

C3

L4C4

L2

L3

L6 C6

C5 R2 R1

L1

C1

L5

C3

R3

vtg

vth

BJT vừa làm nhiệm vụ trộn tần vừa tạo dao động ngoại sai.

Vns được tạo nhờ quá trình hồi tiếp dương về E qua L2 và L3

Vth được đặt vào bazơ của BJT qua biến áp vào C1, L5 tạo thành khung cộng hưởng nối tiếp đối với tần số trung gian. Nhờ đó vtg

bị ngắn mạch ở đầu vào, tránh được hiện tượng trộn tần ngược.

B .

A

E

Ce Re L2

C2 L3 R

Để tránh ảnh hưởng tương hỗ giữa vth và vns, người ta kết cấu mạch dưới dạng sơ đồ cầu, trong đó : Re,Ce là phần tử ký sinh của mạch vào BJT. Khi cầu cân bằng thì VA=VE, không còn tồn tại sự liên hệ giữa vth và vns. Lúc đó, nếu vth xuất hiện trên L3 thì sẽ không cảm ứng sang L2 gây ảnh hưởng đến vns

D. Trộn tần đẩy kéo

76

a) b)

VCC

C

T2

T1

Vtg

R3

R1

C1 T1

C2

vth

vns

vth Hình 5.10. Mạch

a. Sơ đò nguyên lý b. Mạc Ưu điểm của mạch trộn tần đẩy kéo so vớ - Méo phi tuyến nhỏ (hai bậc chắn bị triệ - Liên hệ giữa tín hiệu và mạch ngoại sai

Vì những ưu điểm đó, nên loại mạcphát. Trong sơ đồ đẩy kéo (A), do cách m

Dòng ⎩⎨⎧

−=+=

thns

thns

vvvvvv

2

1

Với : ic1 = ao + a1 (vns + vth) + a ic2 = ao + a1 (vns - vth) + a

⇒ ic = 2a2vth + 4a2vth.vns + 2Thay vns = Vnscosωnst, Vth = Vth.cosωtht vàthành phần tần số : ωth , 3ωth, ωns±ωth và 5.2.2.2 Mạch trộn tần dùng Transistor

Ưu điểm của trộn tần dùng FET so v

VCC

R2

C3

vnsR4

T2

R5

vtg

trộn tần đẩy kéo

h trộn tần đẩy kéo EC

i sơ đồ đơn : t tiêu) - Phổ tín hiệu ra hẹp.

ít. - Khả năng điều chế giao thoa thấp. h này hay được dùng trong bộ trộn tần máy ắc mạch nên điện áp vào T1, T2 lần lượt là :

điện ra : ic = ic1 - ic2

2 (vns + vth)2 + ...

2 (vns - vth)2 + ...

a33thv + 6a3vth.vns + ...

biến đổi ta thấy trong dòng điện ra có các 2ωns±ωth

trường FET ới BJT:

77

- Quan hệ giữa dòng ra ID (dòng máng) và điện áp vào (VGS) là quan hệ bậc hai, nên tín hiệu ra của mạch trộn tần giảm được các thành phần phổ và hạn chế được hiện tượng điều chế giao thoa, giảm được tạp âm và tăng được dải rộng của tín hiệu vào. A. Trộn tần dùng FET: Nguyên lý của việc trộn tần dùng FET cũng giống như BJT

C2

C1 R1

Vns

C4

C5 R3R2 C3

vth Hình 5.11. Mạch trộn tần dùng FET

B. Trộn tần dùng FET mắc đẩy kéo

vtg

Vcc

C1 C2

R1 R2R3vns

vth

Hình 5.12. Mạch trộn tần dung FET đẩy kéo