Tài liệu Bài giảng điện tử cho công nghệ thông tin chương 2 - trần tuấn vinh

Điện tử cho CNTT Electronic for IT Trần Tuấn Vinh Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Nội dung § § § § § Chương 1: Phổ tín hiệu Chương 2: Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio Chương 3: Các mạch tạo dao động Chương 4: Điều chế và hệ thống điều chế biên độ Chương 5: Điều chế tần số và pha. Copyright (c) 8/2009 by 2 Các bộ khuếch đại tần số sóng Radio § § § § § § § § Trở kháng của các linh kiện cơ bản Cộng hưởng nối tiếp Hệ số phẩm chất Q Cộng hưởng song song Thiết kế bộ khuếch đại RF tín hiệu nhỏ Tải điều hưởng Ghép tải biến áp không lý tưởng Mạch điều hưởng kép Copyright (c) 8/2009 by 3 Điện trở § § § Điện áp được đặt trên điện trở R tỷ lệ với cường độ dòng điện i qua điện trở (định luật Ohm) VR = iR Đơn giản là bất cứ cường độ dòng điện có dạng sóng nào chạy qua điện trở sẽ cho bạn điện áp ở hai đầu điện trở có cùng dạng sóng với cường độ dòng điện Điều đó không đúng đối với tụ điện và cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by 4 Cuộn cảm § § Đối với cuộn cảm , điện áp sẽ tỷ lệ trực tiếp với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện theo thời gian vL di/dt di vL L dt L : hệ số tự cảm , đơn vị Henry Độ tự cảm L được xác định hoàn toàn bởi các tính chất vật lý và vật liệu của cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by 5 Cuộn cảm § Một dòng điện hình sin i(t) = I sin 2 ft sẽ cung cấp một điện áp qua cuộn cảm vL di L dt d (sin 2 ft ) L dt L(2 fI cos( 2 ft ) 2 jL ( Ij sin( 2 ft ) ở đây j biểu thị quan hệ pha 90o giữa cos và sin . Kết quả có thể được viết như sau: vL j 2 fLi vL / iL jX L với XL=2 fL : cảm kháng hay điện kháng của cuộn cảm Copyright (c) 8/2009 by 6 Tụ điện § Với tụ điện, dòng điện và điện áp có quan hệ là iC dv C dt C là điện dung được xác định bởi đặc tính vật lý và vật liệu của tụ điện § Kết quả của phép tính đạo hàm đối với điện áp hình sin sẽ cho ta vC 1 jX C iC j 2 fC với XC=1/2 fC là điện kháng hay dung kháng đơn vị Ohm. Copyright (c) 8/2009 by 7 Trở kháng nối tiếp § § Trong nhiều tính toán ta dùng 2 f = mô tả tần số góc bằng đơn vị radian trong 1 giây, ta có: XL= L XC=1/ C Mạch nối tiếp được sử dụng một cách dễ dàng bằng cách cộng các trở kháng phức lại để xác định tổng trở Z = r + j XL – j XC Z= r+j( L – 1/ C) = r+j(2 fL-1/2 fC) Copyright (c) 8/2009 by 8 Ví dụ 2-1 § Mạch nối tiếp được cho ở hình dưới có các giá trị thành phần sau: r=10 , L = 10 H và C=100 pF . Xác định trở kháng Z , cường độ dòng điện khi biết VZ=10 V , điện áp đi qua tụ điện và công suất tiêu hao trên mạch với f = 5,5MHz Copyright (c) 8/2009 by 9 Ví dụ 2-1 § Khi f = 5,5 MHz → = 2 (5,5 MHz) = 34,6M rad / s XL= L=345,6 XC = 1/ C = 289,4 Z = 10 + j 345,6 – j 289,4 = 10 + j 56,2 = 57,1 800 và = tan -1(X/r) được cho ở hình dưới X =tan-1X/r r Copyright (c) 8/2009 by 10 Ví dụ 2-1 i = v/Z = 10V/57,1 0 = 175 mA -800 . Góc pha sẽ là = -800 chỉ ra rằng dòng điện chậm pha hơn so với điện áp tương ứng ( hay điện áp nhanh pha hơn dòng điện) đối với các điện cảm. vC=iXC = ( 175mA -800)(289,4 -900 = 50,6 -1700 § Công suất tiêu tán trên mạch mất đi do điện trở Pr = i2 r = (175 m A)2 (10 )= 306 mW Copyright (c) 8/2009 by 11 Cộng hưởng nối tiếp Trở kháng của mạch nối tiếp r j( X L X C ) = Z có giá trị nhỏ nhất tại tần số mà các thành phần điện kháng triệt tiêu nhau. § Điều kiện này gọi là cộng hưởng, lúc này trở kháng của mạch là thuần trở Z = r , để xác định tần số cộng hưởng ta cho XL = XC hay 2 f0-L = 1/(2 f0C) § f0 1 1 2 LC 0 Copyright (c) 8/2009 by LC 12 Ví dụ 2- 2 § Mạnh nối tiếp rLC của ví dụ 2-1 có các thành phần giá trị như sau r= 10 , L= 10 H và C = 100pF. Hãy xác định tần số mà ở đó hiện tượng cộng hưởng xảy ra và hãy thực hiện các tính toán của ví dụ 2-1 tại tần số cộng hưởng Copyright (c) 8/2009 by 13 Ví dụ 2-2 § Cộng hưởng tại tần số 0 = (1/ 10 x10 6 )(100 x10= 1231,6 ) M rad/s, f0=5,03MHz § § § XL= L=316 và XC=316 ; Z = 10 + j 316 - j 316 = 10 i=v/Z=10V/10 = 1 A = I max vC=iXC = (1A)(-j316 )=- j 316V ( 316V, -900 ) Pr= i2 r = (1 A)2 (10 )=10W. Copyright (c) 8/2009 by 14 Cộng hưởng nối tiếp § Đối với mạnh nối tiếp rLC, dòng điện đạt cực đại tại điều kiện cộng hưởng và phụ thuộc vào điện trở của mạch . Tại tần số lớn hơn và nhỏ hơn tần số cộng hưởng, dòng điện nhỏ hơn cực đại Copyright (c) 8/2009 by 15 Chú ý § § § Một kết quả cần chú ý nữa về các trường hợp cộng hưởng có thể xét thấy ở các trường hợp điện áp đặt trên tụ điện trong ví dụ 2-2 . Điện áp trên tụ là 316V ( và chậm pha hơn dòng điện là 900) nhưng điện áp của cả mạch lại chỉ có 10 V! Nhỏ hơn 31,6 lần. Tỷ lệ 31,6 được gọi là phẩm chất Q của mạch và cũng có thể được tính từ công thức 316 /10 , dạng chuẩn của nó là Q = XL / r Q = XC / r Q là tỉ số giữa năng lượng lớn nhất chứa trong tụ điện với năng lượng tiêu tán trên điện trở Copyright (c) 8/2009 by 16 Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần § § § Điện cảm chứa năng lượng dạng từ trường, các tụ điện chứa năng lượng điện trường ở vùng không gian giữa các má tụ . Năng lượng được chứa trong suốt nửa chu kỳ đầu và giải phóng trong nửa chu kì còn lại. Bất cứ năng lượng nào mất trong một chu kỳ là do tiêu tán trên điện trở và làm giảm hệ số chất lượng Q. Hệ số Q được xác định bởi tỉ lệ giữa năng lượng lớn nhất được chứa trong mạch trên tổng tất cả năng lượng bị mất đi ở mỗi chu kỳ. Copyright (c) 8/2009 by 17 Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần § § § Hệ số Q của mạch là rất quan trọng trong truyền thông điện tử bởi vì nó xác định mức -3dB băng tần của mạch cộng hưởng. Độ rộng băng tần của mạch nói chung sẽ giới hạn tổng số các thông tin có thể truyền được qua hệ thống và số lượng các nhiễu có thể vào hệ thống. Dải tần được tính từ Q và tần số cộng hưởng của mạch : BW=f0/Q Ví dụ đối với mạch nối tiếp của ví dụ 2-2, dải tần 3 dB là BW=5.03 MHz/31,6 = 159,218kHz Copyright (c) 8/2009 by Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần § § Nếu các giá trị điện kháng thay đổi trong mạch rLC nối tiếp , hệ số Q sẽ thay đổi nhưng tần số trung tâm f0 sẽ không đổi LC Nếu Lvà C không đổi nên tần số trung tâm f0 = 1/(2 ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi và giảm giá trị điện trở r thì hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r) Copyright (c) 8/2009 by 19 Hệ số phẩm chất Q và độ rộng băng tần § Nếu r vẫn giữ nguyên không đổi nhưng tăng L và giảm C theo cùng tỷ lệ thì tần số trung tâm f0 LC = 1/(2 ) sẽ vẫn giữ nguyên không đổi nhưng hệ số Q sẽ tăng ( Q = X/r) Copyright (c) 8/2009 by 20