Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử (Phần 2)

)(2)(2 oooo CCCCCCCC ∆−∆+∆−∆+ (4.4 Gọi oC đã tích thêm sau một lần thay đổi điên dung (hay sau một bán chu kỳ dao động của tín hiệu ). Cm ∆= là hệ số điều chế điện dung, ta đ−ợc giá trị năng l−ợng tụ điện 2 1 2 22 m e o qW m m C ≈ − = − W (4.47) Sau một chu kì dao động ta đ−ợc một năng l−ợng trên tụ: W (4.48) Khi thay đổi điện dung theo qui luật hình sin ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc : 4o cW m= − 131 Wo cW mπ= − (4.49) Còn tổn hao năng l−ợng trong khung với điện trở tổn hoa toàn phần r sẽ bằng: th mm r f rITrIW 22 22 == (4.50) Trong đó là biên độ dòng điện mI mothmthm UCqI .. ωω == (4.51) Ta có thể viết lại Wo cho tr−ờng hợp điều chế điện dung theo qui luật hình sin d−ới dạng : thoth m ththo m th th o m co Cf mI fC Im C qmmWW 1 2.22 1 2 )( 2 22 2 22 ==−= =−=−= ωπωπ ω ωππ (4.52) c th m Xm f I 22 2 −= Vì : othCω Nh− vậy năng l−ợng tín hiệu nhận đ−ợc trong khung sẽ bằng : c là giá trị điện kháng của tụ ứng với tần số tín hiệu. X 1= 0C 2 th I mW W= ( ) 2 2 m r o c th W R X f + = − (4.53) động nhất định thì năng l−ợng trong khung phụ thuộc vào hệ số điều chế. Do đó hoàn nên hiện t−ợng khuế Từ kết quả nhận đ−ợc ta thấy: ứng với một nguồn tín hiệu và một khung dao toàn có khả năng thay đổi tham số trữ năng (tụ C) để tạo ch đại tín hiệu. Từ (4.53) ta thấy: sự thay đổi tham số điện dung trữ năng theo qui luật hình sin t−ơng đ−ơng với việc đ−a vào mạch dao động một điện trở âm có giá trị bằng cX m . Do đó có sự khuếch đại giống nh− ta đã thấy một tiền đề ở bộ khuếch đại 2 132 dùng điốt tunel. Giá trị của điện trở âm này tỷ lệ thuận với độ sâu điều chế (hệ số m) của điện dung và tỷ lệ ng−ợc với giá trị trung bình của điện dung này. ( )0C Khi giá trị của điện trở âm gần bằng R, hay : t toth Q dRCm 222 ==≈ ω (4.54) Thì ta có sự khuếch đại rất lớn (trong công thức tt Qd , là tổn hao và độ phẩm chỉ xảy ra theo những điều kiện nhất định ta đã nêu trên đây về tần số và pha của tín hiệu và nguồn bơm. Thực tế đã chứn hung dao động . Tóm lại, khả năng khuếch đại tín hiệu nhờ cách biến đổi một tham số trữ năng mạch dao động một cách có chu kì là hoàn toàn có thể thực hiện đ−ợc về ph−ơng diện lí thuyết và đã đ−ợc chứng minh bằng thực tế . Từ các vùng có khả năng khuếch đại ở (hình 4 - 21) ta thấy là cần phải tìm quan hệ thích hợp giữa và m, sao cho khả năng khuếch đại luôn nằm trong vùng ổn định. chất của khung) : Đó là hiện t−ợng khuếch đại tín hiệu tái sinh. Hiện t−ợng KĐTS kiểu tái sinh này g tỏ rằng khi quan hệ về tần số khác đi ta vẫn nhận đ−ợc sự khuếch đại tín hiệu tất nhiên là hiệu quả khuếch đại không đ−ợc nh− tr−ớc. Hình 4 - 21 biểu thị kết quả nghiên cứu sự khuếch đại tham số khi thay đổi quan hệ tần số tín hiệu và tần số bơm. Từ hình vẽ ta thấy khi tỷ số on/ bth ff càng lớn thì hiện t−ợng khuếch đại càng khó xảy ra. Muốn có khuếch đại tham số ta phải tăng hơn nữa độ sâu điều chế điện dung m, tức là tăng năng l−ợng của nguồn bơm đ−a đến k bth ff , 0 0,5 1,51 2,52 m bf thf Hình 4 - 21 Muốn vậy ta phải nghiên cứu vấn đề quan hệ năng l−ợng trong bộ KĐTS. 133 1. Quan hệ năng l−ợng trong bộ khuếch đại tham số và phân loại các bộ KĐTS. Trên đây ta đã đ−a ra một mạch điện đơn giản nhất mang tính chất nguyên tắc là cùng tác dụng lên m t điện dung phi tuyến C. Hai nguồ sinh ra. Ta cũng giả thiết h ối với tần số cộng h−ởng bản thân của nó, mà không tạo một trở kháng nào đối với các tần số khác. m việc để diễn đạt khái niệm ban đầu về KĐTS. Thực ra, quá trình khuếch đại tham số phức tạp hơn nhiều và theo những quy luật nhất định. Ta cần phải tìm hiểu rõ hơn. Giả thiết có hai nguồn tín hiệu: tần số 1f (thí dụ tần số tín hiệu) và tần số f (thí dụ, tần số bơm) 2 ộ n này có hai khung cộng h−ởng riêng đối với các tần số t−ơng ứng của nó (hình 4 - 22). Nối tiếp với hai nguồn trên và điện dung, ta đặt những khung cộng h−ởng nối tiếp nhau ứng với các tần số tổ hợp do 1f và 2f rằng các k ung này chỉ có trở kháng nhất định đ Hình 4 -22 Rõ ràng là khi tác dụng hai tín hiệu 1f và 2f lên điện dung phi tuyến sẽ xuất h tần số trên : iện vô số tín hiệu có tần số bằng tổ hợp các hài bậc một và bậc cao của 2 21 nfmf ± , trong đó m và n là những số nguyên bất kì và những tín hiệu này sẽ cộng h−ởng (hay trữ vào) ở trên các khung t−ơng ứng. ung sẽ đ−ợc giải phóng hoàn toàn, nghĩa là năng l−ợng đ−a vào ở khác là tổng đại số công suất của các tín hiệu tần số khác nhau tác dụng lên tụ Nếu giả thiết rằng điện dung phi tuyến là thuần kháng (không có tổn hao) và là hàm đơn trị của điện áp bên ngoài đặt lên nó (không có trễ) thì tất cả năng l−ợng đ−a vào điện d một tần số nào đó sẽ đ−ợc biến đổi toàn bộ cho các tần số khác. Nói cách phải bằng không: 134 0mn m n p =∑∑ (4.55) Chúng ta cần phải khảo sát biểu thức này để tìm ra qui luật phân phối công suất c Nhân và chia (4.55) cho cùng một số ta có : ho các tần số và do đó tìm đ−ợc biện pháp khuếch đại tín hiệu cần thiết. 1 2 1 2 ( ) 0 m n mf nf mf nf + =+∑∑ (4.56) Hoặc : mnP 1 2 1 2 1 2 0mn mn m n m n mP mPf f mf nf mf nf + =+ +∑∑ ∑∑ Vì f1 và f2 có giá trị bất kì nên biểu thức cho chỉ có nghiệm khi: 1 2 0mn mf nf =+∑∑ (4.57) Và m n mP 1 2 0mn m n nP mf nf =+∑∑ Ta cũng thấy rằng m và n là những số nguyên, nh−ng không phải hoàn toàn bất kì, mà chúng phải bảo đảm cho khi ứng với và cho tr−ớc thì là tần số tạo nên phải d−ơng. Muốn vậy m và n nhất thiết không thể đồng thời là số âm đ−ợc. Chúng chỉ có thể là những giá trị nào đó nguyên trong tổ hợp : khi một chữ biến thiên từ 0 đến thì chữ kia biến thiên từ 1f 2f 21 nfmf + ∞ ∞− đến sao cho tổng của hai tích là d−ơng. Còn cụ thể chữ nào (m hay n) biến đổi từ 0 đến thì tuỳ sơ đồ bộ KĐTS. Do đó ta có hai họ hệ ph−ơng trình: ∞+ 21 nfmf + ∞+ 0 1 2 0 1 2 0 0mn m n mf nf=−∞ = ⎪ =⎪ +⎩ ∑ ∑ mn m n mP mf nf nP ∞ ∞ =−∞ = ∞ ∞ ⎧ =⎪ +⎪⎨ ∑ ∑ (4.58) số nhất định phụ thuộc vào những tần số ấy luôn bằng không. Hai họ hệ ph−ơng trình trên đ−ợc gọi là hai hệ thức năng l−ợng Manley - Rowe. Chúng khẳng định: Tổng của tích công suất của tín hiệu ở các tần số khác nhau với các hệ 135 Nh− thế rõ ràng là công suất tín hiệu ở các tần số khác nhau trong mạch điện độc lập đ−ợc phân phối theo chính các tần số ấy. Vậy các hệ ph−ơng trình trên biểu thị quan hệ năng l−ợng của các tín hiệu trong hệ thống có phân tử điện kháng phi tuyến tính theo thời gian hoặc biến đổi tuyến tính theo thời gian. Ta cũng rút ra đ−ợc rằng, theo các hệ ph−ơng trình Manley - Rowe thì sẽ có nhữn hiệu tần số khác lấy năng l−ợng từ hệ thống phân phối năng l−ợng cho các tần số theo những dấu khác nhau và độ lớn khác h d−ơn g tín hiệu có công suất d−ơng và những tín hiệu khác mang công suất âm. Về vật lí mà nói, thì điều đó chứng tỏ rằng, sẽ có những tín hiệu tần số nào đó đ−a năng l−ợng vào hệ thống và những tín ra để đ−ợc khuếch đại lên. Nói cách khác, phần tử điện kháng phi tuyến sẽ nhau. Do đó, nếu c ọn các tần số thích hợp ta có thể biến năng l−ợng của một tần số thành năng l−ợng tín hiệu ở tần số khác mà ta mong muốn. Để làm sáng tỏ hơn điều đó ta xét hai ví dụ sau: a) Bộ KĐTS kiểu điện trở âm : Bộ KĐTS kiểu này gồm có ba khung cộng h−ởng tại các tần số , ff , và fff −= là tần số hiệu (nh− vậy ff > ). Rõ ràng là muốn tần số hiệu luôn g thì m chỉ đ−ợc lấy các giá trị 0; 1còn n thì có thể lấy các giá trị -1; 0 và 1. Hệ ph−ơng trình Manley - Rowe có dạng : 21 213 21 31 1 1 2 32 0 0 f f f PP ⎪ −⎪ ⎪ − = (4.59) 2 1 2 Do các tần số luôn là số d−ơng nên P Pp f f f ⎧ + = ⎨ ⎪ −⎩ và cùng dấu nhau. Điều đó chứng tỏ trong bộ KĐTS này các dao động tần số tín u và tần số hiệu (tần số f và 1 và P3 phải ng−ợc dấu nhau và P2 3P hiệ 2 21 ff − ) sẽ thu năng l−ợng và lớn lên còn tần số bơm sẽ cung cấp năng l−ợng cho hệ thống (bộ khuếch đại). Điện dung phi ( )1 tuyến sẽ đóng vai trò “ ng−ời ” phân phối năng l−ợng của các khung dao động (hình 4 - 23). f Khung dao động tần số hiệu ( ff 21 − ) ở đây th−ờng gọi là khung không tải (t−ơng ứng là tín hiệu không tải và tần số không tải) vì trong sơ đồ ta không dự 136 định tr−ớc sử dụng những tần số này. Song trong các dao động tần số không tải cũng mang tin tức của dao động tần số tín hiệu ( )2f ơng ứng. . Do đó ta cũng có thể sử dụng ở đầu ra hoặc các dao động tần số tín hiệu hoặc các dao động tần số không tải tuỳ theo việc ghép đầu ra khung dao động t− Nh− vậy nhờ khung dao động không tải tần số 21 ff − mà ta có thể tách riêng dao động không tải ra. Các dao động không tải lại tiếp tục tác động với dao động tần số bơm f1 trên điện dung phi tuyến để tải ng−ợc lại tần số tín hiệu 2f . Dòng điện tần số tín hiệu trên khung dao động tần số tín hiệu luôn đồng pha dao động 1f đ−a vào, do đó nó khuếch đại tín hiệu lên đ−ợc, giống nh− ở hiện t−ợng biến tần nghịch, mà ta sẽ xét ở các ch−ơng sau. Đó là bản chất vật lí của hiện t−ợng KĐTS kiểu này. Hình 4 - 23 Do các dao động tần số 2f và 213 fff −= lấy năng l−ợng của dao động tần số ếch đại này gọi là kiểu khuếch đại điện trở âm hoặc kiểu tái sinh. động tần số không tải nên còn đ−ợc gọi là kiểu KĐTS hai khung cộng h−ởng. Vì b) Bộ KĐTS kiểu biến tần trên. 1f , nên việc này t−ơng đ−ơng với việc đ−a một điện trở âm vào các khung 2f và 3f . Bởi vậy kiểu khu Ngoài ra nó khác với sơ đồ khuếch đại đơn giản nhất là có thêm khung dao khung không tải là thành phần không thể thiếu đ−ợc ở sơ đồ này. 137 Sơ đồ của bộ KĐTS này giống nh− sơ đồ kiểu điện trở âm nh−ng khung không tải phải điều chuẩn cộng h− ố 213 fff += ởng ở tần s là tần số tổng (hình 4 - 24). Hình 4 -24 g luôn lấy ra ở khung không tải có tần số cao hơn N oài ra khác với bộ KĐTS kiểu điện trở âm, bộ KĐTS kiểu biến tần trên, 213 fff += nên ta mới gọi là kiểu biến tần trên. Ph−ơng trình Manley - Rowe có dạng : 31 1 1 2 32 2 1 2 0 0 PP f f f f f f + =+ + =+ (4.60) PP sinh. Vì nó không truyền công suất nh− nguyên lí ta đã nêu ở phần đầu, vì thời tần thông th−ờng kèm theo sự khuếch đại thôi. Do đó bộ KĐTS kiểu biến tần trên làm việc ổn định hơn và không thể có tự kích nh− kiểu điện trở âm. −ơng trình Manley - Rowe ta còn thấy: Hệ số khuếch đại công suất của bộ KĐTS biến tần trên : Do đó 3P luôn ng−ợc dấu với 1P và 2P , nói cách khác là năng l−ợng của cả hai nguồn 1f và 2f đều đ−ợc chuyển thành năng l−ợng của dao động “không tải” đầu ra có tần số 213 fff += . Bộ KĐTS kiểu biến tần trên không phải là bộ khuếch đại điện trở âm hay tái điểm giảm điện dung không trùng với các thời điểm điện tích trên tụ lớn nhất. ở đây chỉ có hiện t−ợng biến Khảo sát thêm hệ ph 138 3 1 2 2 2 p P f fK P f += = (4.61) àng lớn khi . Điều này chỉ thực hiện đ−ợc khi nhỏ và đó là nh−ợc điểm của sơ đồ. S hai khung cộng h−ởng có −u điểm là làm việc ổn định, không bị quan hệ pha của và ràng buộc, song có nh−ợc điểm là tạp âm nhiều hơn. Bộ KĐTS một khung cộng h−ởng (kiểu điện trở âm) khi có sự lệch pha thì inh ra điều chế biên độ kí sinh, nh−ng lại có tạp âm nhỏ hơn, nên vẫn đ−ợc dùng khá phổ biến. Ngoài cách ph ân loại theo phần tử điện kháng dùng pherit hay d TS cụ th ở dải sóng mét sơ đồ bộ KĐTS một khung cộng h−ởng có thể có dạng (hình timet thì có dạng (hình 4 - 26a) cho kiểu “truyền qua” và (hình 21 ff >> 2fC Bộ KĐT bf thf s ân loại theo số khung cộng h−ởng ng−ời ta còn ph bị điều khiển nh−: Bộ KĐTS dùng điốt (bán dẫn), ùng ống tia điện tử. Theo hệ thống dao động ng−ời ta lại chia ra: kiểu hốc cộng h−ởng hay kiểu sóng chạy. Theo cách lấy tín hiệu ra ng−ời ta cũng chia ra: kiểu truyền qua hay kiểu phản xạ (cho loại mạng hai cực). Theo số cực lại chia ra: kiểu mạng hai cực hay kiểu mạng bốn cực. Sau đây ta nghiên cứu một số sơ đồ KĐ ể để có một khái niệm rõ hơn về bộ khuếch đại. Song trong giới hạn của giáo trình, ta chỉ nêu ra sơ đồ và một số đánh giá sơ bộ. 2. Bộ KĐTS một khung cộng h−ởng kiểu phản xạ và truyền qua. 4 - 25a) cho kiểu “truyền qua” và (hình 4 - 25b) cho kiểu “phản xạ”. Còn ở dải sóng cen 4 - 26b) cho kiểu “phản xạ”. 139 Hình 4 - 25 26 ào điện áp ng−ợc một chiều ần tử điện kháng biến đổi tuyến tính theo thời gian. Các điện dung đ p và ngăn cách về xoay chiều nhờ các cuộn chặn Lch đối với tần số bơm f1. Khung cộng h−ởng (hoặc hốc c ần s iệu fth (hoặc f2). Khi dùng sơ đồ “phản xạ” thì khung cộng h−ởng mắc với mạch ngoài qua b . ơ đều có dạng nh− (hình 4 - 8) (mắc song song) hoặc (hình 4 - 9) (mắc nối tiếp) theo kiểu truyền qua. Rng (gng) bằng Zđ hay yđ của đ−ờng truyền. nêu lên ở phần “4.2” để tính toán các tham số cho sơ đồ và các chỉ tiêu chất l−ợng của bộ KĐTS. Hình 4 - Trong các sơ đồ này điện dung của điốt bán dẫn mắc v (điện dung varicáp) để làm ph −ợc ngăn cách về một chiều nhờ các tụ phân cách C ộng h−ởng ) điều chỉnh ở t ố tín h ộ tuần hoàn Sơ đồ t− ng đ−ơng của bộ KĐTS một khung cộng h−ởng Khi mắc theo kiểu “phản xạ”thì bỏ Rt (gt) và thay Từ đó ta có thể ứng dụng các công thức t−ơng ứng 140 4.5. Bộ khuếch đại cơ l−ợng tử ( phân tử ) Tất cả các bộ khuếch đại mà chúng ta đã nghiên cứu tr−ớc đây cần phải áp dụng với các hạt mang điện của vật chất ở trạng thái tự do (thí dụ các hạt điện tử, các ion d−ơng hoặc âm, các lỗ hổng). Do đó thành phần tạp âm của các hạt mang điện này (gọi là tạp âm hạt) cũng điện từ tr−ờng cần khuếch đại và có một giá trị lớn đáng ủa tr−ờng điện từ cần k . −ợng chúng có thể có. Thí dụ nh− các mức w1, w2, w3 (hình sự t−ơng tác của tr−ờng điện từ cần khuếch đại sẽ đ−a vào dòng điện của kể. Bộ khuếch đại cơ l−ợng tử lại dựa trên nguyên lí tác dụng c huếch đại với các hạt vật chất không mang điệnvà không ở trạng thái tự do, mà ở trong một mạng liên kết bền vững, d−ới nhiệt độ thấp : đó là các hạt phân tử. Do đó, bộ khuếch đại cơ l−ợng tử có thể cho ta một hệ số tạp âm cực nhỏ, xấp xỉ bằng 1. Cũng vì lí do đó, bộ khuếch đại còn có tên là bộ khuếch đại phân tử Ta hãy xét tính chất của các hạt phân tử và nguyên lí khuếch đại cụ thể hơn. 1) Tính chất của các hệ phân tử. Ta đã biết mọi vật chất đều đ−ợc cấu thành từ các hạt, mà cụ thể nhất là các phần tử. Các hạt này luôn nằm trong mạng liên kết với nhau, nên chuyển động của chúng không thể là hoàn toàn bất kì và ngẫu nhiên về mọi tham số : tốc độ, mô men, năng l−ợng. Mỗi hạt vật chất trong mạng liên kết chỉ có một số giá trị động năng nhất định, gọi là những mức năng l−ợng. Nói cách khác, nội năng của các hạt đều đ−ợc l−ợng tử hoá và chúng chỉ nằm ở một mức năng l−ợng nào đó trong số những mức năng l 4 - 27). N 1N 2 N W 1 W 2 W 3 W Hình 4 - 27 141 Song các hạt không phải luôn nằm ở mức năng l−ợng nhất định, mà có thể chuyển từ mức này san mg ức khác khi bị tác động bên ngoài. ì nó lại bức xạ một l−ợng ênh lệch hai mức năng l−ợng ấy, cho môi tr−ờng bên ngoài. Các quá trình hấp thụ và bức xạ này, nếu không do một nguyên nhân có điều khiển nào đó (thí dụ không do một nguồn năng l−ợng nhất định) thì sẽ là các quá t (4.62) Trong đó : h - là hằng số Plank ( erg.gy hay 6,62.10-34 j.gy). ật hàm mũ của Bolzman (hình 4 - 28). Khi hạt chuyển từ một mức thấp (thí dụ w1) lên mức cao hơn (thí dụ w2) thì nó đã hấp thụ đ−ợc một l−ợng tử nhất định của ngoại lực (nhiệt năng, cơ năng hay năng l−ợng điện từ tr−ờng). Đây là quá trình hấp thụ cộng h−ởng. Còn khi nó chuyển mức ng−ợc lại từ cao xuống thấp th tử nhất định, t−ơng ứng với độ ch rình ngẫu nhiên hỗn loạn và gây nên sự bức xạ năng l−ợng tạp âm do các l−ợng tử khác nhau tạo thành. Các l−ợng tử này tuân theo điều kiện Bor, sẽ phụ thuộc vào tần số của dao động điện từ tr−ờng hấp thụ hoặc bức xạ. Thí dụ : ứng với độ chênh lệch hai mức năng l−ợng w1 và w2 thì l−ợng tử phụ thuộc vào tần số f12. 121212 hfWWW =−= Một tính chất nữa của các hạt vật chất chúng luôn có xu h−ớng chiếm mức năng l−ợng thấp nhất. Cho nên khi không có một ngoại lực nào tác dụng, chúng sẽ ở một trạng thái cân bằng động nhất định, và phân bố số hạt N theo mức năng l−ợng sẽ tuân theo qui lu 2710.62,6 − kT hf kT W kT WW eee N N 121212 1 2 −∆−−− === (4.63) Trong đó: k - là hằng số Bolzman (1,38.10 -23 j/độ); T- là nhiệt độ tuyệt đối (Kenvin) của vật chất. Từ những tính chất trên ta có thể rút ra một số nhận xét sau: Khi nhiệt độ của hệ phân tử càng thấp thì đ−ờng cong càng dốc và càng có nhiều hạt nằm ở mức năng l−ợng nhỏ. 142 Việc kích thích hạt chuyển mức năng l−ợng phụ thuộc chủ yếu vào tần số của dao động điện từ tác động lên vật chất, chứ không phải là năng l−ợng của tr−ờng lớn hay nhỏ. Khi kích thích đúng tần số ứng với một mức năng l−ợng nào đó thì mức đó sẽ có nhiều hạt hơn so với số hạt cần có theo qui luật Bolzman. Khi ngừng kích thích các hạt d t−ơng ứng với b−ớc nhảy năng l−ợng. thái. Thời gian này phụ thuộc vào bản thân vật chất và tăng lên khi nhiệt có tầ − ấy sẽ dần dần nhảy về mức năng l−ợng thấp ban đầu và phát ra các l−ợng tử có b−ớc sóng Thời gian để hạt về trạng thái cũ gọi là thời gian tích thoát hay thời gian chuyển trạng độ giảm xuống. Nh− ta đã nêu trên, nếu khi nhảy về mức năng l−ợng thấp hơn mà không có tr−ờng nào tác dụng thì các l−ợng tử thoát ra sẽ b−ớc xạ hỗn loạn và sinh ra tạp âm nhiệt trong vật chất. Nh−ng nếu lúc này ta tác động một tr−ờng điện từ nào đó n số phù hợp với b−ớc nhảy năng l−ợng về thì các l−ợng tử thoát ra sẽ không còn là hỗn loạn nữa. chúng sẽ t−ơng can (đồng pha) với tr−ờng điện từ này và trao cho tr−ờng toàn bộ năng l−ợng của các l−ợng tử. Tr−ờng điện từ sẽ đ−ợc khuếch đại lên có thể tới hàng trăm lần. Đó là hiện t−ợng bức xạ cảm ứng hay bức xạ c−ỡng bức. Hình 4 - 28 143 2) Nguyên lí khuếch đại cơ l−ợng tử. Xuất phát từ tính chất của hệ phân tử ng−ời ta đ−a ra nguyên lí khuếch đại cơ l−ợng tử dùng 3 mức năng l−ợng. Nguyên lí đó có thể giải thích theo đồ thị (Hình 4 - 28). Tr−ớc tiên ta cần kích thích hệ, cho các hạt chuyển trạng thái từ thấp lên cao (ví dụ gây nên sự d− thừa các hạt m ạt ở mức w1 sẽ nhỏ hơn, không còn bằng N1 nữa. có một lúc đạt trạng thái cân bằng động mới, t−ơng w3 xuống w trực tiếp hoặc qua w , nh−ng cũng ngần ấy hạt chuyển từ w1 lên w3. Lúc này s là hỗn loạn, nên các l−ợng tử chun tần số t−ơng ứng với b h−ờng dùng hai ph−ơng pháp chính : ph−ơng pháp cho một dải thông rất hẹp; cho nên th−ờng dùng để tạo tần số chuẩn mà thôi. , bằng tần số f13 làm hạt chuyển từ mức w1 lên w3) ang mức năng l−ợng cao (w3) so với hạt cần có mà định luật Bolzman đã qui định ( 3N∆ ). Tất nhiên lúc đó số h Sự d− thừa này phải duy trì đủ lâu bằng cách tác động kích thích liên tục, chọn vật chất và giảm nhiệt độ, của nó một cách thích hợp, sao cho thời gian chuyển trạng thái đủ lớn (có khi đến 0,1s). Khi kích thích liên tục, sẽ ứng với 3N∆ nhất định. Khi đó tuy vẫn có một số hạt chuyển trạng thái từ 1 2 ự chuyển trạng thái từ cao xuống thấp g phát ra sẽ tạo thành các tạp âm nhiệt. Nếu khi đó ta đ−a vào hệ một dao động điện từ tr−ờng có −ớc nhảy năng l−ợng 32W∆ (f32). Thì tr−ờng này sẽ t−ơng tác với các l−ợng tử 32W∆ khiến cho chúng t−ơng can (đồng pha) với tr−ờng. Khi đó xảy ra hiện t−ợng bức xạ cảm ứng, tạp âm nhiệt ở tần số này hoàn toàn mất đi, dao động điện từ f32 đ−ợc khuếch đại lên. Để kích thích hệ ng−ời ta t phân loại và ph−ơng pháp dùng điện từ tr−ờng. Ph−ơng pháp phân loại th−ờng dùng cho một chất khí, và bộ khuếch đại chỉ 144 Ph−ơng pháp kích bằng điện từ tr−ờng th−ờng dùng cho vật chất thể rắn nh− ngọc đỏ Al203Cr203 hoặc xianua Crôm K3Cr(CN)6. Ph−ơng pháp này do hai nhà bác học Nga Baxov và Prokhorov đề ra năm 1955 và chế tạo ra bộ khuếch đại và máy phát năm 1959. Ph−ơng pháp kích thích bằng điện từ tr−ờng theo nguyên lí khuếch đại dùng 3 mức năng l−ợng nói trên. Điên từ tr−ờng kích thích, còn gọi là nguồn “bơm” có tần số f31. Còn điện từ tr−ờng yếu cần khuếch đại có tần số f32. Vật chất để khuếch đại là các chất rắn nh− ngọc đỏ, xianua Crôm. Hình 4 - 29 h tần số của bộ khuếch đại, các chất rắn đ−ợc chọn th−ờng là các chất thuận từ. Các chất thuận từ ngoài các tính chất đã nêu ở phần tr−ớc, chúng còn chịu sự chi phối của hiệu ứng Zeeman. Cụ thể là, khi đặt chất thuận ặc bị thay đổi hoặc l−ợng tỉ lệ thuận với từ tr−ờng tĩnh (hình 4 - 29). Để có thể điều chỉn từ trong một từ tr−ờng tĩnh thì mức năng l−ợng của nó ho một mức sinh ra nhiều mức khác thứ cấp có độ chênh lệch mức năng HW β2=∆ βTrong đó : là hằng số; − ệu cần khuếch đại. H là c−ờng độ từ tr ờng Nhờ thay đổi đ−ợc W∆ nên ta có thể tạo đ−ợc các b−ớc nhảy mức thích hợp với tần số tín hi 145 Các bộ khuếch đại dùng chất rắn cho phép ta mở rộng dải thông bộ khuếch đại. Bởi vì các hạt vật chất của chất rắn luôn dao động xung quanh một vị trí nhất định i cách khác là dải thông của bộ khuế khuếch đại gồm có hốc cộng h−ởng tín hiệu cần khuếch đại trong có chứa chất rắn thuận từ, nguồn “bơm” đ−ợc nối với hốc bằng ống dẫn sóng, tín hiệu cần khuếch đại đ−a vào hốc qua bộ tuần hoàn và ống dẫn sóng vào ra 2. Ngoài ra bộ tuần hoàn còn nối với máy thu ở cửa 3 và nối với tải hấp thụ ở cửa 4. trong mạng tinh thể. Do đó, khi t−ơng tác với tr−ờng, hiệu ứng Doppler sẽ làm cho phổ của tín hiệu t−ơng tác rộng ra, hay nó ch đại đ−ợc mở rộng ra. Đến đây, ta có thể đ−a ra sơ đồ cấu trúc đơn giản của bộ khuếch đại cơ l−ợng tử nh− (hình 4 - 30). Bộ Ng Bơ uồn m Tải hấp thụ Máy thu NS 1 2 3 4 Pv Chất thuận từ Hê li lỏng Ni tơ lỏng )K78( o )K2,4( o Hình 4 - 30 −ợc giữ ở một nhiệt độ thấp để tạo sự chênh lệch số hạt giữa các m việc bảo quản Hêli lỏng đ−ợc dễ dàng ể ho áp suất bình giảm xuống, làm cho nhiệt độ trong bình chỉ còn 1 - 2o Kelvin. Chất thuận từ đ ức nhờ hai bình Hêli lỏng và Nitơ lỏng. Đồng thời, thời gian chuyển trạng thái cũng đ−ợc tăng hơn. Bình Nitơ lỏng sẽ giữ cho hơn. Ng−ời ta còn có thể liên tục bơm rút khí Hêli đ c 146 Nhờ từ tr−ờng S - N mà chất thuận từ đ−ợc điều chỉnh đến vùng tần số làm việc của bộ khuếch đại theo hiệu ứng Zeeman, nghĩa là có độ chênh lệch năng l−ợng ∆W phù hợp với các tần số tín hiệu và tần số nguồn bơm. Tín hiệu vào PV theo bộ tuần hoàn đ−ợc đ−a vào bộ khuếch đại. Tại hốc cộng h−ởng có chất thuận từ, nó đ−ợc tín hiệu nguồn bơm trao năng l−ợng cho, rồi phản xạ lại bộ tuần hoàn, để đến máy thu. Trong tr−ờng hợp có sự mất phối hợp trở kháng đầu vào máy thu, thì một phần tín hiệu phản xạ từ đầu vào máy thu sẽ đ− h đại công suất đủ lớn và dải thông t p ở dải sóng siêu cao tần. Có thể đạt đ−ợc hệ số tạp âm 1,04; độ khuếch đại công su Nh−ợc điểm của bộ khuếch đại là không khuếch đại đ−ợc các tín hiệu vào lớn (l W), dải thông và dải tần làm việc còn hạn chế, kích th−ớc và trọng l− ợc bộ hấp thụ triệt tiêu hết. Bộ khuếch đại cơ l−ợng tử có hệ số tạp âm rất nhỏ, độ khuếc −ơng đối hẹ ất 20db ; khi dải thông 11MHz. ớn hơn 10 - 8 ữ10 - 9 ợng lớn. 147 Ch−ơng 5 Tuyến trung tần và âm tần Trong máy thu đổi tần, tuyến trung tần bao gồm các tầng sau: - Bộ biế n đ− điều chế, hay là giữ nguyên cấu trúc phổ tín hiệu. Thông th−ờng phổ của tí p hơn n n tần dùng để dịch chuyển phổ của tín hiệu nhậ ợc từ một miền của dải tần số vô tuyến này đến một miền khác nh−ng không làm thay đổi dạng và tham số n hiệu đ−ợc truyền đến miền tần số thấp hơn gọi là tần số trung gian : ftg. - Bộ khuếch đại trung tần: do tần số trung gian ở đầu ra bộ biến tần thấ hiều so với tần số tín hiệu nhận đ−ợc ( thtg ff << ) và cố định trong dải tần công tác nên trong bộ KTG ta có thể dùng các hệ thống chọn lọc phức tạp và nhiều tầng với mục đích: u t o đ−ờng lân cận nh−ng với độ m tuyến tần số có dạng gần nh− hình chữ nhật). + Đảm bảo phần chủ y yến tần số vô tuyến của máy thu. ng của bộ khuếch đại trung tần phụ thuộc vào độ rộng phổ của tín hiệu nhận đ đại và độ chọn lọc. ở các máy thu sóng ngắn nó gồm 2 đến 4 tầng, ở siêu cao tần từ 8 đến 10 tầng. D−ới đây ta sẽ xét kỹ hơn về các yêu cầ tần. Bộ biến tần ế phần tử biến đổi và hệ thống chọn lọc. Để thực hiện nhiệm n tử b t ên thực tế hiện nay nhất là ở trong dải tần số thấp hơn 300 MH , trong máy thu th−ờng sử dụng n tử đ tất cả các thành phần tần số phụ, cũng nh− suy giảm nhiễu theo đ−ờng lân cận. + Đảm bảo độ chọn lọc rất cao của máy th he éo tần số nhỏ (đặc ếu về hệ số khuếch đại trong tu Số tầ −ợc, yêu cầu về khuếch u đối với từng bộ trong tuyến trung 5.1. Bộ bi n tần bao gồm vụ biến đổi tần số theo yêu cầu phầ iến đổi phải có đặc uyến vôn - ampe không đ−ờng thẳng hay là có tham số biến đổi theo thời gian. Tr Z các phần tử không đ−ờng thẳng làm phầ biến ổi. Ví dụ nh− : các đèn điện tử (hai, ba, năm và bảy cực) và các dụng cụ bán dẫn (điốt bán dẫn và transistor). Hệ thống chọn lọc