44

فصل چهارم

مدارات پايه مخابرات

45

مقدمهمقدمه))44--11((

تشكيل شده است كه معموال اين (subsystems)هر سيستم مخابراتي نهايتا از مجموعه اي زير سيستمو كه مهممدارات پايه مخابرات آنالوگمدارات پايه مخابرات آنالوگزير سيستمها را بعنوان :ترين آنها بقرار زير ميباشد شناخته شده

Filterفيلتر)1 Adderجمع كننده)2 Attenuatorتضعيف كننده)3 Freq. Multiplier چند برابر كننده فركانسي)4 Mixer مخلوط كننده)5 Amplifier تقويت كننده)6 Oscillatorنوسانگر)7

Filterفيلتر)2-4(و قابليت گزينش طيف ورودي شبكه اي است مداري: تعريف و عبور باشد كه در حالت ايده آل داراي دو ناحيه قطع

.را طبق تابع انتقال خود دارا باشد

:تقسيم بندي فيلترها ميتواند بر اساس چهار پارامتر انجام پذيردنحوةop)، اكتيو( LC , RC , RLC)پسيو: عناصر مداري بكار گرفته شده)1 - amp) ي ،كريستالو چيدمان مداري)2 ,آرايش cascade ) (T & Π ( Low Pass , Hi Pass , Band Pass , Band Stop)عملكرد فيلتر)3شكل هندسي تابع انتقال)4 و ) ساختار رياضي chebyshev , Butterworth , Elliptic , . . . )

:پارامترهاي مشخصه هر فيلتر را ميتوان بطور خالصه چنين بيان داشتa(ع انتقال تابH(f))، ، مشخصه فاز )، شيب ناحيه گذر3dB، فركانس قطع overshootافت عبوريb(درجه فيلتر c(امپدانس)و خروجي ، مشخصه )ورودي

d(ضريب كيفيتBWfQ 0=

تشريح تابع مشخصه يك فيلتر نمونه پايين گذر.4-1شكل

46

و عبور(flatness)در استفاده از فيلترهاي پسيو ميزان صافي باند عبور از (roll off)و شيب گذر ناحيه قطعو چيدمانهاي.ژه اي برخوردار است اهميت وي مختلفي بوجود آمده لذا با هدف رسيدن به پاسخي بهينه ساختارها

.است كه در ادامه بطور اختصار به معرفي برخي از آنها ميپردازيم

پارامترهاي عملي فيلترها)1-2-4( pass band rangeپهناي باند عبور stop band rangeعرض ناحيه قطع maximum ripple in the pass bandماكزيمم رايپل در باند عبورق طعماكزيمم تضعيف در باند

آرايش هاي متداول فيلترها)2-2-4(

سادهRCفيلترشكل ميگيرد در شكلهاي زير نمونه ـ مقاومتي ساده ترين آرايش فيلترها معموال بر اساس ساختارهاي مركب خازن

ازـ و حذف مولفه هاي فركانسي مزاحم بكار ميروند مشاهده هايي اين دسته فيلترها را كه بمنظور تطبيق امپدانس.ميكنيد

سادهRCفيلتر پايين گذر)1

سادهRCفيلتر باند گذر)٢

47

T نوعRCفيلتر باند گذر)3ياTيكي از پر كاربردترين ساختارهاي مورد استفاده در طراحي فيلترها در سيستمهاي مخابراتي، آرايش شكل

Tباصطالح – typeآن شكل زير ساختار مربوط به نوع باندگذر آنرا بهمراه محاسبات مربوطه ، در نشان ميباشد.داده ايم

Tساختار يك فيلتر باندگذر نوع.4-2شكل

T محاسباتي مورد نياز طراحي فيلتر نوع روابط

02

1RBW

C⋅

=πLowHi ff

RBWLπ4

02

⋅=01 4 Rff

BWCLowHiπ

=BWRL

π0

1 =

ن Tوع روابط مورد نياز تحليلي فيلترهاي

1

2

2

10 C

LCLR ==

22110 CL2

1CL2

1fππ

==

021

0LowHi RC

1L

Rff

ππ==−

2ffff LowHi

0Low−

−≅2

ffff LowHi0Hi

−+≅

48

بهمراه توضييح كاربرد آنهانمونه هايي از كاربرد فيلترها در مدارات الكترونيكي.4-3شكل

حذف رايپل منبع تغذيه) الف(

RFفيلتر خروجي)ب(

مدار كراس اور)ج(

49

استاندارد انواع فيلتر هاي كاربردي)3-2-4(و( هاي كاربرديمشخصه انواع فيلترمثالهايي از در شكلهاي زير باتروث، چبي شف؛ چبي شف معكوس

. به نمايش گذاشته شده است)بيضوي

Butterworthپاسخ فركانسي فيلتر نوع.4-4شكل

Chebyshev-Iپاسخ فركانسي فيلتر نوع.4-5شكل

50

Chebyshev-II پاسخ فركانسي فيلتر نوع.4-6 شكل

Ellipticپاسخ فركانسي فيلتر نوع.4-7شكل

51

و نتيجه online باترورث بصورت امروزه براحتي طراحي فيلتر ميسر است كه در شكل زير نشاني اينترنتي.اجراء آنرا براي يك مثال كاربردي مشاهده ميكنيد

:نتيجه اجراء برنامهL1, L3 : 0.098247 µH (98.247 nH)

L2 : 1591.549431 µH (1591549.431 nH) C1, C3 : 0.318310 µF (318310.000 pF)

C2 : 0.000019649 µF (19.649 pF) cgi.main.pole3/bin-cgi/multiplx~/net.athenet.my://http: مĤخذ

.4-8(شكل در تقويت كننده هاي صوتيRCمثالي از نحوه استفاده از فيلتر)

52

تمرينرا.1 و ميدباس و فركانس قطع فيلترهاي بلندگو هاي تويتر در مدار شكل زير نوع

.تعيين كنيد

ه.2 اي فيلتر شكل زير را بدست آوريدمشخصه، خروجي تقريبي مدار شكل زير را رسم 3dBضمن محاسبه پهناي باند.3 فيلتر

.كنيد

R=100Ω , C=100nf

53

Adderجمع كننده)3-4(، بطو:تعريف و يك خروجي ، معموال با حداقل دو ورودي ريكه همواره خروجي جمع شبكه اي است مداري

،( پسيو"معموال جمع كننده ها بر اساس ماهيت مداري مورد استفاده بدو نوع. ورودي ها ميباشد مقاومتي،( اكتيو"و")ترانسفورمري opتقويت كنند هاي تفاضلي – Amp("تقسيم ميگردند .

جمع كنندهاي پسيو)1-3-4( جمع كننده اي مقاومتي.1

دار نمونه ايي از يك جمع كنندة مقاومتيم.4-9شكل

ـ ميكس دو كانال ورودي صدا جمع كنندهاي مقاومتي:مثال

54

)2-3-4. IFيترانسفورمرجمع كننده هاي)ج مع در فركانسهاي راديويي يكي از كارآمدترين روشها براي جمع دو سيگنال روش جمع ترانسفورمري است، بمنظور تشريح اين قبيل

و با توجه به اهميت موضوع در شكل زير ساختمان داخلي يك ترانسفورمر . را تشريح كرده ايمifكننده

دا.4-10شكل IF خلي يك ترانسفورمرساختمان

)الف(

)ب( نمونه هايي از كاربرد جمع كننده ترانسفورمري.4-11شكل

خر)ب(، جمع خروجي هاي دو سيگنال ژنراتور) الف( Q2 وجي هاي ترانزيستور هايجمع , Q3

55

Freq. Multiplierچند برابركننده فركانس.4-4و ترانزيـستور ديـود اسـتوار اساس كار چند برابر كنند هاي فركانسي مبتني بر عملكرد غير خطي عناصر فعالي نظير

و بدين ترتيـب در خروجـي استوار استCدر مدارات ترانزيستوري شرايط باياس ترانزيستور مبتني بر كالس. استو بهمين دليل جريان خروجي تمام هارمونيكهاي فركانس سيگنال ورودي پس از يك تقويت ناقص در خروجي ظاهر

.ورودي را شامل خواهد گرديد

)الف(

)ب(

)د()ج(و) الف(.4-12شكل :مدارهاي نمونه دو برابر كنندة فركانسيبلوك دياگرام دو برابر كننده ها

و)ج(ترانزيستوري)ب( .(IC)مبتني بر مدار مجتمع)د(ديودي

56

ها.5-4 ميكسرو مبتني بر عناصر غير خطيميكسر ، معموال با يك يا دو ورودي از شبكه اي است مداري كه در خروجي تلفيقي

. ارايه ميدهد) براي مثال حاصل ضرب( طبق قاعده مشخصيراورودي ها

ربا اين مقدمه ميتوان :ا بقرار زير تقسيم بندي نمود ميكسر ها Square-Law Mixerميكسر مبتني بر قانون مربع.1

، ترانزيستوري (FET) ديودي Balanced Mixerميكسر متعادل.2

Multiplier , Balance Modulator , Product Detector:نامهاي ديگر

)الف(

)ب(:نمونه هايي از ميكسر مبتني بر قانون مربع)4-13(شكل

ميكسرقانون مربع ديودي) الف( ميكسرقانون مربع ترانزيستوري دو قطبي)ب(

211 BvAvvo +=

vo = Av1v2

57

و جمع كننده اي ترانسفورمري: مثال بادر شكل زير مجموعة ميكسر AMور در مدوالت را بطور يكجا.مشاهده ميكنيد

58

ها.6-4 تقويت كنندهتقويت كنندهاي راديويي مجموعه هاي مداري هستند كه متناسب با ميزان بهره مورد نياز در پهناي باند مشخصي

و تاخير تا حد امكان ناچيز تقويت ميكنند .حول يك فركانس كار معلوم سيگنال ورودي را با ميزان اعوجاج

:ي تقويت كنندها بر اساس پارامترهاي زير انجام ميپذيردتقسيم بند كالس كار.1

A , B , AB , C , D )و نويز( قدرت.2

، كم نويز ، پر قدرت ، ميان قدرت (L.N.B) كم قدرت نوع عنصر اكتيو مورد استفاده.3

، (IC)، مدارات مجتمع (FET,MOSFET, BJT ,UJT)، ترانزيستوري (Vacum Tube)المپي ( Tunnel)ديودي

)ترانزيستور(آرايش عنصر فعال.4، كلكتور مشترك ، اميبر مشترك (emitter follower)بيس مشترك

محدوده فركانسي كار.5 Microwave)، ميكروويو (RF Amp) ،راديويي (IF Amp) ،فركانس مياني (Audio amp)صوتي

Amp) آرايش تركيبي.6

push-pull cascade,و، دارلينگتون...

.4-1(جدول مقايسه تقويت كننده ها بر اساس نوع كالس كار)class phase Diff.

input-output efficiencyتعداد عناصر كاربرد راندمان

فعال

A 360º%25 RC couple %50 transformer

Current &Voltage Amplification 1

B 180º %78,5 Theorical %60 practical

Power amplification 2

C ≤180º %100 Theorical %75≤ practical

Freq. Multiplier 1

59

AكالسBكالس

Cكالس)پوش پول(Bكالس

ساختار كلي انواع كالسهاي تقويت كننده هاي متداول ترانزيستوريساختار كلي انواع كالسهاي تقويت كننده هاي متداول ترانزيستوري))44--1414((

Block diagram of a basic switching or PWM (Class-D) amplifier.

60

Oscillatorsاسيالتورها.7-4

. تبديل ميكندacبهdc اسيالتور مداري است كه انرژي را از حالت

:تورهاانواع اسيالطبقه بندي)، كريستاليLCمبتني بر مدار تانك(شيوه پيدايش نوسان پايه يا اوليه) الف( نوع شكل موجي كه توليد مي كند)ب(

كهپارامترهاي : بقرار زير خالصه ميشود انجام خواهد گرفتانتخاب هر اسيالتوري بر اساس آنهايa(فركانس خروجي مورد نياز b(پايداري فركانسي مورد نظر c(فركانس با قابليت تغيير مد نظر است؟ در چه گستره فركانسي؟آيا d(در حد استاندارد بودن اعوجاج)وضعيت توليد هارمونيك(e(توان خروجي مورد نياز

LCاسيالتور)1-7-4(و پايه تمام نوسانگرهاي بر مبناي پديده درآنشكل گيري نوسان. محسوب ميشودLCاين اسيالتور پسيو

؛ flywheel effectانرژي يا تبديل تكراري مهم پارامترهاي بطور خالصه دو عامل را ميتوان بعنوان ميباشد. دانستLCيك نوسانگر

rf:)فركانس تكرار تبديل انرژي (LCf r π2

1=

Q-factor :)حداكثركهQدر نظر گرفته ميشود 1000 عملي قابل حصول حدود(

)ب()الف( (Flywheel effect)نمايش نحوة پيدايش يك نوسان سينوسي طبيعي) الف.(4-15شكل

(Tank Circuit)مدار تانك)ب(

61

:شرط ايجاد نوسان دايمي بعنوان مدار فيدبك يك آمپلي فايرLCمدار اسيالتور ) سينوسي غير ميراشونده( براي ايجاد يك نوسان پايدار

ناميدهCW(continouse wave)قرار ميگيردو خروجي موجي نا ميرا خواهد گرديد كه اصطالحا موج پيوسته.ميشود

Barkhausenشرط ايجاد نوسان دايمي.باشدn×360ºيا0فاز حلقه فيدبك شيفت:شرط فاز. باشد1 حداقل گين حلقه:شرط دامنه

-فيدبك

+فيدبك

بلوك دياگرام كلي هر مدار عملي اسيالتور)الف.(4-16شكلو ارتباط آن با بهرة نهايي)ب( حلقهشكل موج خروجي اسيالتور

:نكتهاز رسيدن به گين تئوريكال ” محدوديت منبع تغذيه”و” nonlinearityغيرخطي”در عمل مولفه هاي

.جلوگيري ميكنند، . ميباشدنويز موجود در سيستم يا لحظه قطع به وصل منبع تغذيهعامل اوليه ايجاد ولتاژ سينوسي مدار تانك

يك تك فركانس( بمنظور زنگ آيفونLCلي از كاربرد اسيالتور مثا.4-17شكل )توليد

62

؛ از اينرو و محل نمونه گيري جريان فيدبك ميباشد سه نوعمعيار تعيين نوع اسيالتورها آرايش مدار تانك. بقرار زير معرفي ميگرددLCاصلي اسيالتور

Hartleyهارتلي)1 Colpitts كولپيتس)2

Clappكلپ)3

Hartleyاسيالتور هارتلي)2-7-4(

اسيالتورهاي نوع هارتلي آرايشهاي مداري متنوعي دارند كه در عموم آنها نمونه سيگنال فيدبك از جريان سلف مدار تانك.در شكل زير سه آرايش نوع هارتلي را مشاهده ميكنيد. تامين ميگردد

آرايشهاي متنوع مداري اسيالتور نوع هارتلي.4-18شكل

خشهاي اصلي اسيالتور هارتليبTank:L1) مدار تشديد.1 , C1)C.E(Q1)تقويت كننده با آرايش.2و پاييني.3 ، دو بخش بااليي و وروديL1فيدبك را شامل مي شود، كه بترتيب در خروجي

.قرار ميگيرند) تقويت كننده( رانزيستورت

63

: وظايف بخشهاي غير اصليa(سيم پيچ)چوك (RFC (Radio Freq. coil) و مانع در فركانس تشديد مدار باز عمل كرده

.به تغذيه ميگرددacنفوذ سيگنال b(خازن C3وظيفه كوپالژacو ممانعت از ورود جريانdcدارد به مدار تانك را بر عهده ) پايداري.

)dcو كاهش تلفات c(2خازنCايجاد ايزوالسيون از نظر dcو بيس ترانزيستور مي كند 2Cخازنهاي( مابين مدارتانك

، اتصال كوتاه عمل ميكنندC3و .) در فركانس تشديد تانك

)الف()ب(

FET)ب(، Bi-Polar)الف( اسيالتور هارتلي مبتني بر عنصر فعال.4-19شكلو فركانس كار آنها

:فركانس كار اسيالتور هارتليفركانس كار اسـيالتور مدار تانك اسيالتور ميباشند،طبعا تعيين كننده عمدهC1وL1با توجه به اينكه

كـوپالژ متقابـل دوو تاثير پارامترهاي ترانزيـستور شناخته ميگردند، كه البته با در نظر نگرفتن :فركانس رزنانس اسيالتورهاي نمونه اخير بقرار زير نتيجه ميشودL1 سلف نيمه

64

coplittsاسيالتور كولپيتس)3-7-4(و محل نمونه گيري جريان فيدبك تغيير كرده ساختار هارتلي است كه فقط مدار تانك اين نوع اسيالتورنظيرساختار

.است در شكل زير آرايش كلي بهمراه مدار هاي نمونه اي ازين دسته اسيالتور ارايه شده است

كولپيتس آرايشهاي متنوع مداري اسيالتور نوع.4-20شكل

: بخشهاي اصلي اسيالتورC2وC1و مجموعه سريL1سلف: مدار تانك

C.E با آرايشQ1ترانزيستور: تقويت كنندهو دشارژ خازن(C2وC1خازنهاي:فيدبك و شارژ بنابراين مبناي شكل گيري فيدبك ميدان الكتريكي)ميباشد

FET)ب(، Bi-Polar)الف( اسيالتور كولپيتس مبتني بر عنصر فعال.4-21شكلو فركانس كار آنها

65

و هارتلي مقايسه اسيالتوركولپيتسو تفاوت قابل مالحظه اي ندا(performance)از نظر كارآيي و مسايل مالك انتخابشته ، سهولت

و گياقتصادي است ري از چنانچه به اسيالتوري با فركانس تشديد قابل تغيير نياز باشد اينكار با بهره.عناصر تغيير پذير در مدار تانك هر دو نوع امكان پذير است

:اسيالتور هاي كريستالي)4-7-4(اسيالتور كنترل شدة كريستالي" مد نظر باشدLCمقدمه چنانچه پايداري فركانسي بيشتر از اسيالتور هاي

و استفاده مي گردد" . مطرحمن" quartz"كريستال پيزو الكتريك يكـي. محسوب مي شودLCاسبي براي مدار تانك متداول جايگزين

و بـا فرمـول ، سـيليكا از معروفترين نوع كريستالهاي كوارتز كه در سطح زمين بطـور طبيعـي وجـود دارد. ميباشدSiO2شيميايي

)ب( )الف((4-22شكل ساختمان اتمي كريستال كوارتز) الف.

نحوه عملكرد پيزو الكتريك)ب(

، شبيه مدار تانك ، ليكن از نقطه نظر عملي بمنطورLCبه تنهايي مدار معادل كريستال عمل ميكند.ستفاده قرار گيردامورد) Cext(در تركيب سري با يك خازن خارجي حصول عملكرد بهينه بايد

)ب()الف(

(4-23شكل يك كريستال) الف. شماي واقعيو مداربهينه كريستال كوار)ب( تزمدار معادل الكتريكي، نماد

66

:داليل ارجحيت مدار رزنانس كريستاليبسيار باريكي)BW(پهناي باند)CpوLsسري( دو مدار رزنانس در يك ساختار به سببب داشتن توأم

).frحولz امپدانس معادل"sharp"تغيير پذيري بسيار تيز.( فراهم مي گرددfrحول فركانس تشديدبا20000 بااليQ.factor بنا بر اين دست يابي به و حتي بيش از آن نيز امكانپذير مي !شد متداول

و زماني و مشخصه هاي كريستال نسبت به مدار تانك)طول عمر(پايداري بسيار خوب حرارتي كريستالLCمتداول .

:طريقه ساخت كريستال، كريستالهاي متنوعي متناسب با ابعاد برش از فركانس و برش مكانيكي كوارتز با بهره گيري از شيوه هاي صنعتي

15khz100تاkhzاست قابل ايجاد .

ساختمان داخلي كريستال.4-25شكل

نمونه هايي از كاربرد كريستال در ساخت اسيالتورهاي دقيق.4-24شكل

67

Ovenized Oscillator اسيالتورهاي با تثبيت حرارتي)5-7-4(ون اجزاء اسيالتور بوده كه در يكي از عواملي كه موجب انحراف اسيالتورها ميشود حرارت محيط پيرام

و پايدارسازي هرچه بيشتر اسيالتورهاي كريستالي يا باصطالح جهت كاهش اثرات محيطيOvenized Oscillator پديدآمده) مبتني بر يك گرماساز مقاومتي با فيدبك كنترل حرارتي( يا

.كه در شكل زير يك نمونه آنرا مشاهده ميكنيدنم)4-26(در شكل و توليدي كارخانه يك را با قابليت توليد يـك سـيگنال RAKONونه با كاربرد صنعتي

، بمنظور توليد ساير هارمونيك هاي فرعي، در گستره فركانـسي (clipped sinewave)سينوسي برش شده.نمايش داده شده است) 32Mhzتا2/8(

نوسانگر با قابليت تثبيت حرارتيماژول.4-26شكل(Temperature Compensated Crystal Oscillators)

:مشخصات كلياين ماژول از ساختار مداري كولپيتس بهره ميبرد بر اساس مد فركانسي غالب مورد استفاده قرار ميگيرد، نوع

مقاومت مولد حرارت(از برش استوانه اي داخل بدنه فلزي محيطي تثبيت شده حرارتي قرار داده شده استكريستال ).به بدنه جوش داده شده است

و با استفاده از يك تريمر5تا7/2قادر است با تغذبه اي ولتاژ كار اين ماژول بين و فركانس آن بطور مكانيكي بوده.تنظيم ميگرددو مناسب كاربرد هاي توليدات عرضه .در بازار موجود استtiming شده اين مارك بر اساس فركانس هاي متداول

:4تمرينو 2N2222 ترانزيستور data sheet با بهره گيري از مطالب آموخته شده در درس الكترونيك. طراحي كنيد455kHzاسيالتوري طبق آرايش مداري كولپيتس براي فركانس كار