ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TIỂU LUẬN MÔN HỌC KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN CÓ ĐỘ LỢI GT L
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN CÓ ĐỘ LỢI GT LỚN NHẤT
GVHD: TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG SVTH: NGUYỄN ĐỨC NGUYÊN
MSSV: 1914378
NHÓM: LT01-A
TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2024
Trang 2MỤC LỤC
1LÝ THUYẾT CHUNG VỀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CAO TẦN 1
2QUY TRÌNH THIẾT KẾ 3
2.1Chọn Transitor 3
2.2Khảo sát đặc tính DC của BJT 3
2.3Thiết kế mạch phân cực dựa trên BJT 5
2.4Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 7
2.4.1Thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ ra 10
2.4.2Thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ vào 10
2.5Kiểm tra, mô phỏng thiết kế 11
KẾT LUẬN 13
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Mô hình mạng 2 cửa 1
Hình 1-2 Phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra 1
Hình 1-3 Mạch khuếch đại cao tần 2
Hình 2-1 Transitor BFP640 3
Hình 2-2 ADS_Templates BJC Curver Tracer 3
Hình 2-3 Đặc tuyến dòng áp ngõ ra 4
Hình 2-4 Rectangle Plot 5
Hình 2-5 Mô hình mạch khuếch đại công suất 5
Hình 2-6 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại công suất 6
Hình 2-7 Kết quả kiểm tra độ ổn định 7
Hình 2-8 Đồ thị max gain 7
Hình 2-9 Đặc tuyến Svà L 8
Hình 2-10 Mô phỏng Z S và Z L theo Smith Chart 8
Hình 2-11 Sơ đồ mạch sau khi hiệu chỉnh Z S và Z L 9
Hình 2-12 Ma trận S sau khi điều chỉnh 9
Hình 2-13 Phối hợp trở kháng ngõ ra 10
Hình 2-14 Phối hợp trở kháng ngõ vào 10
Hình 2-15 Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng có độ lợi cao nhất 11
Hình 2-16 Kết quả mô phỏng mạch 12
Trang 4THIẾT KẾ MẠCH KHUÊCH ĐẠI TẠI TẦN SỐ 2.6GHz
1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CAO TẦN
Ta xét mô hình mạng 2 cửa như hình dưới:
Hình 1-1 Mô hình mạng 2 cửa
Có ma trận tán xạ: 11 12
21 22
S S S
S S
Để mạch khuếch đại này truyền công suất cực đại ta cần phối hợp trở kháng ngõ vào và trở kháng ngõ ra, ta có hình sau:
Hình 1-2 Phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra
Ta định nghĩa, Hệ số tăng công suất bộ chuyển đổi (Transducer power gain) là tỷ lệ của công suất được cung cấp cho tải với công suất có sẵn từ nguồn
L T avs
P G P
= (1.1)
Hay mạch khuếch đại này tương đương với:
Trang 5Hình 1-3 Mạch khuếch đại cao tần
Nhiệm vụ đặt ra là tìm ra các thông số s và L phù hợp để hệ số G T đạt giá trị cực đại
Với những kiến thức đã học trong môn học Kỹ thuật Siêu cao tần, ta có:
21
22
L T
S P G
21
22
L T
S P G
12 21 11
22 1
L in
L
S S S
S
−
21
11
L T
S P G
12 21 22
11 1
S out
S
S S S
S
−
Để mạch khuếch đại đạt hệ số G T cực đại thì *
=
Từ kết luận trên ta suy ra:
2 2
1
4 2
S
C
=
2 2
2
4 2
L
C
*
1 11 22
1
*
2 22 11
1
Với = S S11 22−S S12 21
Khi đó hệ số G T đạt cực đại và bằng:
2 2
22
1 1
L T
S
−
=
Với các hệ số S và L ta tiến hành phối hợp trở kháng (Input matching và Output matching) thông qua đồ thị Smith
Trang 62 QUY TRÌNH THIẾT KẾ
2.1 Chọn Transitor
Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế mạch dao động là chon transitor phù hợp để
hoạt động tốt trong tần số yêu cầu (f = 2.6GHz) Trong đề tài này em sử dụng phần mềm
Advanced Design System Version 2016.01 để tiến hành thiết kế Ở trường hợp tần số này
em đã lựa chọn Transitor BFP405F “Low Noise” của hãng Infineon để thiết kế cho mạch Các thông số đặc trưng của Transitor là: hoạt động tới tần số 5 GHz, VCE0 max = 4.5V ,
max 12
c
I = mA
Hình 2-1 Transitor BFP640
2.2 Khảo sát đặc tính DC của BJT
Sử dụng ADS_Template BJT Curver Tracer để tiến hành khảo sát
Hình 2-2 ADS_Templates BJC Curver Tracer
Trang 7Dòng I cmax = 12mA vẫn chưa đạt được, với dòng IBB lớn nhất là 500 mA Nếu IC > 4.0 mA thì BJT sẽ break down Khi thiết kế cần lưu ý, cần chọn IC nhỏ nhất có thể
Hình 2-3 Đặc tuyến dòng áp ngõ ra
Sử dụng Rectangle Plot để vẽ đồ thị biểu diễn I BB, I C Khi I C tăng lên thì I B cũng tăng lên với một hệ số cố định được gọi là độ lợi dòng, I C =I B
Trang 8Hình 2-4 Rectangle Plot
2.3 Thiết kế mạch phân cực dựa trên BJT
Hình 2-5 Mô hình mạch khuếch đại công suất
Trang 9Hình 2-6 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại công suất
Theo kết quả mô phỏng trên phần mềm ADS, ma trân tán xạ của BJT BFP620 tại 2.6 GHz như sau:
11 12
21 22
S S S
S S
Tiến hành kiểm tra độ ổn định của mạch, sử dụng phương pháp K- test:
S S S S
11 22
21 12
1
1.043 2
K
S S
Do 1 và K 1 nên hệ Transitor hoạt động tốt ở tần số f = 2.6GHz
Hoặc có thể kiểm tra bằng phần mềm ADS
Trang 10Hình 2-7 Kết quả kiểm tra độ ổn định
Mạch trên có mu S ( ) 1, nên hệ Transitor hoạt động tốt ở tần số 2.6GHz
2.4 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng
Từ đồ thị max_gain phần mềm ADS có thể thấy, ở tần số 2.6 GHz, G T =20.799dB
Hình 2-8 Đồ thị max gain
Trang 11Dựa vào các công thức đã nêu ra ở phần lý thuyết, tiến hành viết công thức:
Từ đồ thị, chọn S 1, L 1, suy ra =S 0.623, =L 0.819
Hình 2-9 Đặc tuyến S và L
Vẽ S và L lên đồ thị Smith Chart, tìm Z S và Z L với Z =0 50
Hình 2-10 Mô phỏng Z S và Z L theo Smith Chart
Trang 12Tiến hành kiểm tra Z S =11.77− j5.355,Z L =33.962− j116.557
Hình 2-11 Sơ đồ mạch sau khi hiệu chỉnh Z S và Z L
Hình 2-12 Ma trận S sau khi điều chỉnh
Trang 132.4.1 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ ra
Dùng đồ thị Smith Chart, để tiến hành thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ ra, đồ thị được trình bày như sau:
Hình 2-13 Phối hợp trở kháng ngõ ra
2.4.2 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ vào
Dùng đồ thị Smith Chart, để tiến hành thiết kế mạch phối hợp trở kháng ngõ vào,
đồ thị được trình bày như sau
Hình 2-14 Phối hợp trở kháng ngõ vào
Từ đồ thị Smith, thiết kế được mạch phối hợp trở kháng ngõ vào
Trang 142.5 Kiểm tra, mô phỏng thiết kế
Sau khi đã tiến hành thiết kế mạch phối hợp trở kháng, hình dưới là toàn bộ thiết kế:
Hình 2-15 Sơ đồ mạch phối hợp trở kháng có độ lợi cao nhất
Trang 15Tiến hành mô phỏng kiểm tra kết quả:
Hình 2-16 Kết quả mô phỏng mạch
Trang 16KẾT LUẬN
Trong tiểu luận này, em đã trình bày chi tiết quá trình xây dựng mạch khuếch đại siêu cao tần có độ lợi lớn nhất hoạt động ở tần số 2.6 GHz bằng cách sử dụng phần mềm Advanced Design System (ADS) Quá trình này bao gồm các bước từ việc xác định và nhập các thông số S-parameters, sử dụng Smith Chart để thực hiện phối hợp trở kháng, cho đến việc mô phỏng và tối ưu hóa hiệu suất của mạch