Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 3: Điều chế

s
cos.cos
2
1
Dòng điện qua diode được biểu diễn theo chuỗi Taylo : 
 (2) ⎪⎩
⎪⎨⎧ ++++=
++++=
...
...
3
23
2
22212
3
13
2
12111
vavavaai
vavavaai
o
o
Dòng điện ra : i = i1 - i2 (3) 
Thay (1), (2) vào (3) và chỉ lấy 4 vế đầu ta nhận được biểu thức dòng điện ra : 
 i = A cos ωst + B cos 3ωst + C [cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] 
 + D [cos (2ωt + ωs) t + cos (2ωt - ωs) t] (4) 
 51
Trong đó : 
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
===
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++=
2
3,2,
2
2
32
32
2
3
2
3
2
31
t
StS
S
S
tS
VVaDVVaCVaB
VaVaaVA
 3ωsωs ωt+ωs22ωt 2ωt-ωsωωt t+ωsωt-ωs
Hình 3.13. Phổ tín hiệu điều biên cân bằng 
b. Mạch điều biên cân bằng dùng 2BJT 
Hình 3.14. Mạch điều biên cân bằng dùng 2 BJT 
vt VCCVS vdb
Kết quả cũng tương tự như trường hợp trên. 
c. Mạch điều chế vòng 
Vt
~ 
D3 
D
4
Cb 
Cb D2
D4
D1
vS vdb
Hình 3.15. Mạch điều chế vòng 
 Gọi : iI là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D1, D2
 iII là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D3, D4 
 ωt - ωs ωt + ωs
ωt 
ổ ề ế ầ ề ế
 52
Theo công thức (4) ở mục trên (điều biên cân bằng dùng diode) ta có được biểu thức tính iI :
 iI = A cosωst + B cos 3ωst + C [cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] 
 + D [cos (2ωt + ωs) t + cos (2ωt - ωs) (*) 
 Ta có : iII = iD3 - iD4 (1) 
Trong đó : 
 (2) 
... vava va a i
... vava va a i
3
43
2
4241oD4
3
33
2
3231o D3
++++=
++++=
Với v3, v4 là điện áp đặt lên D3, D4 và được xác định như sau : 
tVtVv
tVtVv
sstt
sstt
ωω
ωω
coscos
coscos
4
3
+−=
−−=
 (3) 
Thay (3) vào (2) và sau đó thay vào (1), đồng thời lấy 4 vế đầu ta được kết quả : 
 iII = - A cosωst - B cos 3ωst + C [cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] 
 - D [cos (2ωt + ωs) t + cos (2ωt - ωs) t] 
 ⇒ idB = iI + iII = 2C [cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] (4) 
Vậy : mạch điều chế vòng có thể khử được các hàm bậc lẻ của ωs và các biên tần của 
2ωst, do đó méo phi tuyến rất nhỏ. 
3.3. Điều chế đơn biên 
3.3.1. Khái niệm 
Phổ tín hiệu đã điều biên gồm tải tần và hai dải biên tần, trong đó chỉ có các biên tần 
mang tin tức. Vì hai dải biên tần mang tin tức như nhau (về biên độ và tần số) nên chỉ cần 
truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức, còn tải tần thì được nén trước khi truyền đi. 
Quá trình đó gọi là điều chế đơn biên. 
Ưu điểm của điều chế dơn biên so với điều chế hai biên : 
- Độ rộng dải tần giảm đi một nửa. 
- Công suất phát xạ yêu cầu thấp hơn với cùng một cự ly thông tin. 
- Tạp âm đầu thu giảm do dải tần của tín hiệu hẹp hơn, 
Biểu thức của điều chế đơn biên :Vđb (t) = Vt . 
2
m . cos (ωt + ωs) t 
m : hệ số nén tải tin, 
t
S
V
Vm = , m có thể nhận giá trị từ 0 → ∞ 
 53
3.3.2. Các phương pháp điều chế đơn biên 
3.3.2.1. Điều chế theo phương pháp lọc 
ft2 ± (ft1 + fS) 
ĐCCB1 ĐCCB1 LỌC1 LỌC2 
Dao động 
ft2 ft1 
Dao động
ft2 + ft1 + fSvS(t) ft1 + fS ft1 ± fS 
Hình 3.17. Sơ đồ khối mạch điều chế theo phương pháp lọc 
f1+fmaxf1+fmin
2fmin
f1+fmaf1+fminf1-fminf1-fmax
ft1fsmaxfsmin
0 
0 
0 
0 
0 
V5
V4
V3
V2
V1
f
f2 + f1+ fmaxf2 +f1+fmin
f
f2 + f1+ fmaxf2 +f1+fminf2 - f1-fmax f2
2∆ = 2f1 + 2fmin
f2 - f1-fmin
f
f
f
Phổ tín hiệu theo phương pháp lọc 
 54
Đặt : ∆fs = fsmax - fsmin
 ft1 : tần số của tải tần thứ nhất ft2 : tần số của tải tần thứ hai 
t
SS
t
S
f
ff
f
fx minmax −=∆= : hệ số lọc của bộ lọc. 
Trong sơ đồ khối trên đây, trước tiên ta dùng một tần số dao động ft1 khá nhỏ so với dải 
tần yêu cầu ft2 để tiến hành điều chế cân bằng tín hiệu vào vs(t). Lúc đó hệ số lọc tăng lên để 
có thể lọc bỏ được một biên tần dễ dàng. Trên đầu ra bộ lọc thứ nhất sẽ nhận được một tín 
hiệu có dải phổ bằng dải phổ của tín hiệu vào ∆fs = f smax -f smin, nhưng dịch một lượng bằng 
ft1 trên thang tần số, sau đó đưa đến bộ điều chế cân bằng thứ hai mà trên đầu ra của nó là tín 
hiệu phổ gồm hai biên tần cách nhau một khoảng ∆f ’ = 2(ft1 + fs min) sao cho việc lọc lấy một 
dải biên tần nhờ bộ lọc thứ hai thực hiện một cách dễ dàng. 
3.3.2.2. Điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha 
Tín hiệu ra của 2 bộ điều chế cân bằng: 
 VCB1 = VCB cosωst cosωtt = 
2
1
VCB [cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] 
 VCB2 = VCB sinωst sinωtt = 
2
1
VCB [- cos (ωt + ωs) t + cos (ωt - ωs) t] 
Cầu Diode 
ĐCCB1 0
0 
 900 
 00 
 900 
Cầu Diode 
ĐCCB2 
vCB1
MẠCH 
ĐIỆN 
TỔNG 
HOẶC 
HIỆU 
vCB2
VDB
vS 
vt 
Hình 3.18. Sơ đồ mạch điều chế đơn biên theo phương pháp pha 
 Hiệu hai điện áp ta sẽ có biên tần trên : 
 ⇒ VDB = VCB1 - VCB2 = VCB cos (ωt + ωs) t 
Tổng hai điện áp ta sẽ có biên tần dưới : 
 ⇒ VDB = VCB1 + VCB2 = VCB cos (ωt - ωs) t 
3.4 Điều tần và điều pha 
 55
3.4.1. Quan hệ giữa điều tần và điều pha 
 ω = 
dt
dφ (1) 
Với tải tin là dao động điều hòa : 
 v(t) = Vt . cos (ωtt + ϕo) = Vt . cos )t(φ (2) 
Từ (1) rút ra : 
 (3) ∫ ϕ+ω=φ t
o
)t(dt).t()t(
Thay (3) vào (2), ta được : 
 v(t) = Vt cos [ ] (4) ∫ +t
o
tdtt )().( ϕω
Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm : 
 vs = Vs cosωst (5) 
Khi điều tần và điều pha thì ω(t) và ϕ (t) được xác định theo các biểu thức : 
 ω (t) = ωt + Kđt Vs cosωst (6) 
 ϕ (t) = ϕo + Kđf Vs cosωst (7) 
 ωt : tần số trung tâm của tín hiệu điều tần. 
 Kđt.Vs = ∆ωm : lượng di tần cực đại 
 Kđf.Vs = ∆ϕm : lượng di pha cực đại 
 ω(t) = ωt + ∆ωm cosωst (8) 
 ϕ (t) = ϕo + ∆ϕm cosωst (9) 
Khi điều tần thì góc pha đầu không đổi, do đó ϕ(t) = ϕo. 
Thay (8), (9) vào (4) và tích phân lên, ta nhận được : 
 ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ϕ+ωω
ω∆+ω= os
S
m
ttdt tsintcosV)t(v (10) 
Tương tự thay ϕ(t) trong (9) vào (4) và cho ω=ω(t) = cte ta có : 
 vđf(t) = Vt.cos (ωtt + ∆ϕm cos ωst+ϕo) (11) 
Lượng di pha đạt được khi điều pha : ∆ϕ = ∆ϕm cos ωst 
Tương tự với lượng di tần : 
 ∆ω = 
dt
d ϕ∆ = ∆ϕm ωs.sin ωst 
Lượng di tần cực đại đạt được khi điều pha: 
 ∆ω =ωs∆ϕm = ωs.Kđf Vs (12) 
Lượng di tần cực đại đạt được khi điều tần: 
 56
 ∆ω =Kđt Vs (13) 
Từ (12) và (13) ta thấy rằng: điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là: 
- Lượng di tần khi điều pha tỉ lệ với Vs và ωs
- Lượng di tần khi điều tần tỉ lệ với Vs mà thôi. 
Từ đó ta có thể lập được hai sơ đồ khối minh họa quá trình điều tần và điều pha: 
Tích phân
Đạo hàm 
Điều pha
Điều tần vS 
vS 
T/h điều tần 
T/h điều pha 
Hình 3.19. Sơ đồ khối quá trình điều pha và điều tần 
3.4.2. Phổ của dao động đã điều tần và điều pha 
Trong biểu thức (10), cho ϕo = 0, đặt f
S
m M=∆ω
ϕ gọi là hệ số điều tần, ta sẽ có biểu 
thức điều tần : vđt = Vt cos [ωtt+ Mf.sin ωtt] (14) 
Tương tự, ta có biểu thức của dao động đã điều pha : 
 vđf = Vt cos [ωtt + M. cos ωtt] (15) 
Trong đó : M = ∆ϕm
Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó 
tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức : 
 Vdt = Vt cos [ωtt + ∑ ] 
=
ϕ+ω∆m
1i
iSiti )cos(M
Phổ của tín hiệu điều tần gồm có tất cả các thành phần tần số tổ hợp : ωtt + ∑ 
=
m
i
Sii
1
ωµ
 Với µi là một số nguyên hữu tỉ; -∞≤ µi ≤ ∞ 
3.4.3 Mạch điều tần và điều pha 
3.4.3.1 Điều tần dùng diode biến dung 
CV 
Rv
+
C2
R1RFC 
C1
Cv
L V
VV 
Hình 3.20. Mạch điều tần dung Diode biến dung và đặc tuyến của CV 
 57
L, Cv tạo thành khung cộng hưởng dao động của một mạch dao động 
C1 : tụ ngăn DC 
C2 : tụ thoát cao tần để ổn định phân cực cho Cv 
RFC : cuộn cản cao tần 
R1 : trở ngăn cách giữa mạch cộng hưởng và nguồn cung cấp khi Rv thay đổi ( VPC thay đổi ( 
CV thay đổi theo làm cho tần số cộng hưởng riêng 
VLC
f π2
1= của khung cộng hưởng 
LCV thay đổi, dẫn đến quá trình điều tần. 
3.4.3.2 Điều pha theo Amstrong 
v đb1 
ĐB1 
ĐB2 
Tổng 
Di 
pha 900 
vS 
mVt1
mVt2
Vt1
v→ 
V đb2
vđb1
Vt2
Vđb2
Hình 3.21. Mạch điều pha theo Amstrong và đồ thị vector của tín hiệu 
Tải tin từ thạch anh đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2) lệch pha 90o, 
còn tín hiệu điều chế vs đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp ra trên hai bộ điều 
pha : 
 vđb1 = Vt1 (1 + m cos ωst) cos ωtt 
 =
2
])cos()[cos(cos 11 ttmVtV ststttt ωωωωω +++− 
 vđb1 = Vt1 (1 - m cos ωst) sin ωtt 
 = 
2
])sin()[sin(sin 22 ttmVtV ststttt ωωωωω +++− 
Đồ thị véc tơ của tín hiệu và và véc tơ tổng của chúng = + là 
một dao động được điều chế pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. 
1dbV
→
2dbV
→ →
V 1dbV
→
2dbV
→
Để hạn chế điều biên ký sinh →chọn ∆ϕ nhỏ (∆ϕ< 0,35) 
3.4.3.3 Điều tần dùng Transistor điện kháng 
Phần tử điện kháng : dung tích hoặc cảm tính có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt 
trên nó được mắc song song với hệ dao động của bộ dao động làm cho tần số dao động thay 
đổi theo tín hiệu điều chế. Phân tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha trong 
mạch hồi tiếp của BJT. Có 4 cách mắc phân tử điện kháng như hình vẽ. 
 58
Cách mắc 
mạch Sơ đồ nguyên lý Đồ thị véc tơ Trị số điện kháng 
Tham số tương 
đương 
Mạch phân 
áp RC 
 Z = jω
S
RC Ltd = S
RC 
Mạch phân 
áp RL Z = - j LS
R
ω Ctd = R
LS 
Mạch phân 
áp CR Z = - j RCS`
1
ω Ctd = RCS 
Mạch phân 
áp LR Z = jω RS
L Ltd = RS
L 
Với mạch phân áp RC ta tính được : 
BEVS
V
I
VZ
.
== (IC = S.VBE ⇒ IC luôn luôn cùng pha với VBE) 
V 
__
I VC 
_
VR 
_
V 
_ 
_ 
V 
_ 
_ 
I 
R 
C 
V 
_ 
_ 
I 
R 
L 
V 
_ 
_ 
I 
I 
C 
R 
R 
L 
VL 
_V 
VR 
VC 
_ VR 
_
V 
_
_
I 
_
_
I _
VL 
_ V 
VR 
_
_ _
I 
 59
 Z = 
Cj
Cj
R
Cj
R
CjVS
V
ω
ω
ω
ω .
1
.
1
.
1
.
1
..
+
=
+
Nếu chọn R
Cj
<<ω
1 (hợp lý vì 
Cjω
1 tương ứng với VBE; R tương ứng với VCB) 
⇒ ≅ 
S
CRjω = jXL = jωLtd Với Ltd = S
RC 
Tham số của điện kháng tương đương phụ thuộc vào độ hỗ dẫn S của BJT. 
Điều tần dùng phân tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối là
tf
f∆ khoảng 
2% 
• Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC : 
Hình 3.22. Sơ đồ mạch tạo dao động điều tần phần tử điện kháng phân áp RC 
Cb1
Lgh
Cb3
T2
R1 
Cb2
T1RLc 
C
R2 R3
Lk
Cb4
ck 
VC
C
 T1 : BJT điện kháng; T2 : BJT dao động