Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP

ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP

ÂM THẤP TÍN HIỆU SIÊU CAO TẦN BĂNG X

Ngành: Công nghệ điện tử viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dương

Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những

mô hình, kết quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước

“Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”

Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết

Hà nội, Ngày tháng năm 2015

Người cam đoan

Trần Minh Ngọc

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Bạch Gia Dương Thầy là người luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, Thầy đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này

Tiếp đến, em xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy

Cô đã và đang giảng dạy tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này Kính chúc Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, thành đạt, và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, em cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội

Trần Minh Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục tiêu đề tài 10

3 Phương pháp nghiên cứu 10

4 Nội dung nghiên cứu 11

4.1 Nghiên cứu lý thuyết 11

4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp 11

5 Kết cấu luận văn 11

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X 12

1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA 12

1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA 12

1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa 13

1.4 Hệ số tạp âm 13

1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng 15

1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường 15

1.7 Hệ số tạp và nhiệt độ 15

1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực 16

1.9 Bộ LNA dải hẹp 17

1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter 20

1.9.2 Tải collector 20

1.9.3 Phân cực 21

1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA 21

1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure 21

a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) 22

b) Shot Noise (Shottky Noise) 22

c) Flicker Noise (1/f Noise) 22

d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) 23

1.10.2 Hệ số khuếch đại 23

1.10.3 Tính ổn định của hệ thống 25

1.10.4 Độ tuyến tính 25

CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM

THẤP 28

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần 28

2.1.1 Các loại đường truyền 28

2.1.2 Phương trình đường truyền 29

2.1.3 Hệ số phản xạ 31

2.1.4 Hệ số sóng đứng 32

2.1.5 Giản đồ Smith 32

2.2 Tham số S[5] David M Pozar (1994), “Microwave Engineering” 3rd Edition 34

2.2.1 Công suất đưa ra tải 35

2.2.2 Các khái niệm 35

2.2.3 Xác định tham số S 35

2.2.4 Đo các hệ số truyền 36

2.2.5 Xác dịnh các hệ số phản xạ 36

2.3 Phối hợp trở kháng 37

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung 38

2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc liên tiếp 39

2.3.2.1 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây một phần tư bước sóng 39

2.3.2.2 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 40

2.3.2.3 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp 41

2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 41

CHƯƠNG III – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH 43

3.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng và linh kiện 43

3.1.1 Lựa chọn chương trình mô phỏng 43

3.1.2 Lựa chọn tranzitor hỗ trợ thiết kế 43

3.2 Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại 45

3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng 45

3.2.2 Tính toán mô phỏng thiết kế 45

3.2.2.1 Phối hợp trở kháng cho lối vào Zin 46

3.2.2.2 Phối hợp trở kháng cho lối ra Zout 50

3.2.2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại 54

3.3 Chế tạo và đo đạc mạch khuếch đại 55

3.4 Hạn chế trong khi đo đạc mạch thực tế 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến 10

Hình 1.4 Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB), hệ số tạp, và nhiệt độ 14

Hình 1.7 Sơ đồ khuếch đại kiểu E chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu 16

Hình 1.10 Mạch LNA dải hẹp dùng phân áp dùng cầu điện trở 18

Hình 2.2

Biểu diễn đường truyền sóng và mạch tương đương của đoạn

Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 39

Hình 2.13 Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi 40

Hình 3.10 Kết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 1 46

Hình 3.12 Kết quả tham số S11, S21 lối vào trường hợp 2 47

Hình 3.17 Kết quả tham số S11, S21 lối ra trường hợp 1 50

Hình 3.19 Kết quả tham số S11 và S21 lối ra trường hợp 2 51

Hình 3.22 Kết quả S11, S21, VSWR của mạch khuếch đại 53

Hình 3.26 Kết quả đo thực nghiệm S21 55

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, băng tần X có rất nhiều ứng dụng trong radar cảnh giới biển và hệ thống thông tin vô tuyến với các ứng dụng rất thực tiễn như theo dõi thời tiết, kiểm soát không lưu, kiểm soát giao thông hàng hải, radar bám mục tiêu cho quốc phòng và

đo tốc độ phương tiện cho cảnh sát

Các bộ thu radar trên đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh và chính xác Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này ngày càng gắt gao hơn Đóng vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị radar là một bộ thu phát sóng Tín hiệu thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, biên độ tín hiệu thu được thường rất nhỏ, trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu Chính điều này dẫn đến việc phát triển

bộ Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao hơn là rất cần thiết

Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại băng tần X trở nên cấp

thiết và có ý nghĩa quan trọng Chính vì vậy, quyển luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế

tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tầnbăng X” sẽ trình bày và cố gắng

làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng

bộ LNA băng X

2 Mục tiêu đề tài

Đề tài luận văn “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp tín

hiệu siêu cao tần băng X ” có hai mục tiêu lý thuyết và thực tiễn:

- Về lý thuyết:

+ Trình bày tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp;

+ Trình bày cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Về thực tiễn:

+ Mô phỏng thiết kế đo đạc thông số bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần X dùng phần mềm ADS 2009;

+ Thực thi chế tạo,đo đạc sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp

3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết; cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp; nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;

- Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo sản phẩm thực tế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X;

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa học để tìm hiểu mạch khuếch đại tạp âm thấp đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn

4 Nội dung nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về tổng quan bộ khuếch đại tạp âm thấp;

- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần

- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và tranzitor SPF 3043

4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại tạp âm thấp băng X

- Thiết kế layout cho mạch khuếch đại

- Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy VECTOR NETWORK ANALYZER

5 Kết cấu luận văn

Nội dung luận văn bao gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp X

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp

Chương 3: Mô phỏng và thực thi mạch

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP X 1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

LNA là chữ viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp

- Biên độ các tín hiệu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu nhận được thường rất nhỏ Chính vì vậy cần có bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏ chính xác

- Các mạch cao tần là phi tuyến, và rất nhạy cảm với nhiệt Chính tạp âm này ảnh hưởng rất nhiều trong quá trình thu và khôi phục lại tín hiệu dữ liệu,

- Việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, nhưng đồng thời cũng khuếch đại tạp âm Chính vì vậy, bộ LNA được dùng để khuếch đại tín hiệu cần thiết để đạt được một độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp

âm (Noise)

1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA là rất cần thiết trong hệ thống thông tin di động đặc biệt là bộ phận thu (Receiver)

Vị trí LNA đặt càng gần anten thu càng tốt, vì khi đó, tín hiệu vô tuyến thu được

từ anten – tín hiệu rất yếu (về công suất) – sẽ được khuếch đại thông qua LNA Đồng thời, với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu với mức tạp âm là tối

ưu Lúc này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp nhất Từ đây, dựa vào công thức Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu sẽ là thấp nhất, do ảnh hưởng nhiều nhất từ tầng khuếch đại đầu tiên

Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến

1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa

Mục này trình bày bản thiết kế khái lược tạp âm trong mạng hai cửa Việc tập trung xây dựng mô hình hệ tạp âm loại này có thể giúp đơn giản hóa rất nhiều việc phân tích, qua đó giúp ta hiểu rõ được ưu nhược điểm bên trong của bộ thiết kế

Hình 1.2 Mô hình tạp âm hai cửa 1.4 Hệ số tạp âm

Hệ số tạp âm là đại lượng rất quan trọng trong việc xác định tạp âm của hệ thống nói chung và máy thu nói riêng, thường được kí hiệu là F Để định nghĩa và hiểu rõ tầm quan trọng của đại lượng này, ta xem xét một mạng tạp âm 2 cửa (tuyến tính) lối vào gồm có nguồn dẫn nạp Ys và nguồn dòng tạp âm song song is Nếu chỉ quan tâm tới tạp âm tại lối vào lối ra, ta cũng không cần thiết phân tích quá kỹ nguồn tạp âm gây

ra bên trong mạng 2 cửa Tuy nhiên, các nguồn gây nhiễu này có thể biểu diễn đơn giản chỉ bằng một cặp nguồn nhiễu ngoài: Nguồn thế và nguồn dòng Chính nhờ điều này, ta có thể dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu của hệ thống Kết quả là, có thể xác định được tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu năng nhiễu lí tưởng

Hệ số tạp âm được định nghĩa bởi:

F ≡ (Tổng công suất tạp âm lối ra / Tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm lối vào)

Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỉ số tín/tạp của hệ và tỉ lệ thuận với độ suy giảm phẩm chất này Nếu một hệ thống (mạng 2 cửa) bản thân nó không gây nhiễu, thì tổng công suất tạp âm lối ra phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn tạp

âm lối vào và do đó, hệ số tạp âm là bằng 1

Trong hình 1.2, tạp âm được coi là lối vào của mạng 2 cửa không gây nhiễu nên

ta có thể tính đươc giá trị của hệ số tạp Để tính toán trực tiếp dựa trên phương trình (1.1), chúng ta cần thực hiện hai bước: Thứ nhất đo tổng công suất tạp âm ở lối ra, sau

đó bước thứ hai là chia kết quả nhận được cho công suất tạp âm gây ra bởi nguồn lối vào Một phương pháp tương tự và đơn giản hơn là đo dòng trung bình bình phương ngắn mạch của các nguồn nhiễu sau đó chia cho tổng dòng trung bình bình phương của nguồn nhiễu gây ra bởi lối vào Với cùng hằng số tỉ lệ,công suất gây ra bởi nguồn thành phần sẽ tỷ lệ thuận với dòng trung bình bình phương ngắn mạch, vì vậy mà phương pháp trên là hoàn toàn tương đương

Hình 1.3 Mô hình tạp âm hai cửa tương đương

Trong quá trình thực hiện phép đo này, vấn đề thường gặp là kết hợp các nguồn tạp âm có bậc tương quan khác nhau Trong trường hợp đặc biệt khi hệ số tương quan bằng 0, xuất hiện sự xếp chồng các công suất riêng rẽ Ví dụ, nếu giả định rằng công suất tạp âm của nguồn và của mạng hai cửa là không tương quan thì biểu thức của hệ

số tạp âm có thể biểu diễn:

Cần chú ý, khi ta giả định rằng tạp âm của nguồn không tương quan với hai bộ tạo tạp âm tương đương của hai cửa, phương trình (1.2) không còn đúng trong trường hợp hai cổng phát không tương quan với nhau

Để thiết lập tương quan và in, in là tổng của hai thành phần:

1.5 Dẫn nạp nguồn vào lí tưởng

Một hệ tạp âm hai cửa đang xét được đặc trưng bởi bốn thông số (Gc, Bc, Rn và Gu), phương trình (1.9) cho phép xác định các giá trị điện dẫn và điện nạp tối ưu cho các thiết kế tạp âm thấp Lấy đạo hàm bậc nhất đối với nguồn dẫn nạp rồi cho giá trị bằng 0, ta thu được:

Từ đó, để cực tiểu hệ số tạp âm, giá trị nguồn điện nạp cần bằng với nghịch đảo của tương quan điện nạp, trong khi đó cần chỉnh nguồn điện dẫn bằng với giá trị trong phương trình (1.11)

Hệ số tạp âm ứng với lựa chọn được suy ra trực tiếp khi thay thế (1.10), (1.11) vào (1.9)

1.6 Hạn chế trong các phương pháp tối ưu hóa tạp âm thông thường

Lí thuyết cổ điển chỉ hoàn toàn xác định trong trường hợp phần tử chọn riêng rẽ, các đặc trưng được cho trước và sau đó tìm giá trị nguồn dẫn nạp tối ưu Đây là trường hợp thường xảy ra trong thiết kế RF riêng rẽ Tuy nhiên, tiêu chuẩn tối ưu hóa không cho phép chọn kích thước linh kiện tùy ý trong thiết kế mạch tích hợp, vì thế cần bổ sung thêm điều kiện gần đúng trong một số trường hợp lí tưởng Mục đích của chúng

ta là nêu ra những điểm chưa hoàn thiện của phương pháp này

Hình 1.4 Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB), hệ số tạp, và nhiệt độ

1.8 Xây dựng mô hình mạng hai cực

Muốn nắm rõ các đặc tính (hay giới hạn) của thiết kế LNA dải hẹp, chúng ta trước hết cần xây dựng mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực Để phép phân tích được dễ dàng và thuận tiện trong việc tìm hiểu cặn kẽ thiết kế, cần giả định một số trường hợp đơn giản mà không làm sai lệch nghiêm trọng phép đo khi linh kiện hoạt động với tần số đủ thấp Với các tần số cao hơn, những đặc tính linh kiện (ví dụ hệ số khuếch đại) bị suy giảm nhanh chóng …

Hình 1.5 Mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực Mỗi lớp tiếp giáp của transistor lưỡng cực gây ồn nổ (ồn Shottky), đặc trưng bởi nguồn dòng song song mà mật độ phổ trung bình là 2qIDC (IDC là giá trị dòng phân cực qua vùng chuyển tiếp) Dòng ồn nổ từ hai vùng chuyển tiếp có thể xem như không liên quan tới hầu hết các kết quả thực nghiệm, vì vậy ta có thể bỏ qua tác dụng của nó trong các tính toán tiếp theo; điều này cho phép cộng vào trực tiếp công suất tạp âm Đây là dạng chồng chất gây bởi tính độc lập thống kê của nguồn tạp âm

Ngoài sự tạo thành ồn nổ (về nguyên tắc là không thể triệt tiêu được trong các thiết kế khuếch đại tạp âm thấp), còn có một nguồn tạo ồn nhiệt là điện trở bazơ, rb

Loại ồn này gây bởi chuỗi nguồn thế có mật độ trung bình là 4kTrb Với công nghệ chế tạo hiện nay, thì ồn nhiệt linh kiện bán dẫn thường lớn hơn nhiều so với tạp âm gây bởi trở emitter hay base, do vậy có thể bỏ qua tác dụng của những nguồn này Giá trị rb

trong các bản thiết kế là một giá trị mà người thiết kế không bao giờ mong muốn, ngoài việc phát sinh ồn nhiệt ( làm giảm hệ số tạp âm của hệ thống) như trên thì sự xuất hiện của giá trị này sẽ ảnh hưởng không tốt đến giá trị trở kháng nguồn vào tối ưu (tại giá trị này cho phép thiết kế LNA tạp âm đạt giá trị tốt) Mô hình tranzitor tín hiệu nhỏ được chỉ rõ trên hình 1.5 Tuy đơn giản nhưng mô hình này lại có thể biểu diễn được các ảnh hưởng đặc biệt quan trọng khi đo hệ số tạp của bộ khuếch đại lưỡng cực Xuất phát từ mô hình nêu trên, ta có thể thiết lập biểu thức toán học chính xác cho hệ

số tạp của một bộ khuếch đại và hơn nữa, tính toán được giá trị nguồn trở kháng tối

ưu

Hình 1.6 Mô hình để tính toán giá trị tạp âm

Có rất nhiều cách biểu diễn hệ số tạp âm, song cách dưới đây tỏ ra hữu dụng nhất: F = Tổng công suất tạp âm lối ra/công suất tạp âm lối ra gây bởi nguồn nhiễu (thường xét với điều kiện nhiệt độ phòng 290K) (1.14)

Để dùng phương trình (1.14) đo hệ số tạp âm, nối nguồn trở kháng (ồn nhiệt) vào mạch ở hình 1.5 rồi đo từng phần (hình 1.6) Chú ý rằng đây là trường hợp ngắn mạch Trong mạch thực tế, trở tải lối ra là khác không - trừ trường hợp chế tạo high-tech space heater Tuy nhiên từ (1.14) dễ dàng nhận thấy có thể nhận trở tải collector cho cả

tử và mẫu và cuối cùng có thể khử giá trị này, nhờ đó có thể làm việc với mọi giá trị

Từ đây có thể chọn giá trị trở tải là 0

Phương pháp thông dụng hơn là khử điện dung collector - base (Cµ) để thuận tiện cho việc phân tích Khi trở kháng tải collector nhỏ, giá trị điện dung này không gây can nhiễu quá lớn đến phép đo Trong các trường hợp thông thường, khi tính đến trở tải collector bất kì, bỏ qua Cµ sẽ dẫn đến sai số đáng kể Sai số lớn nhất khi đo nguồn điện trở dẫn đến giá trị hệ số tạp nhỏ nhất, do vậy tùy thuộc vào cấu tạo trở tải, nguồn điện trở lí tưởng có thể biến thiên lên xuống

1.9 Bộ LNA dải hẹp

Những phần trước chúng ta đã phân tích và tìm hiểu được rằng các thiết kế tạp

âm thấp phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn lựa giá trị nguồn trở kháng vào tối ưu Hơn

nữa, trở kháng lối vào tranzitor cao tần mang tính chất dung kháng, vì vậy khi phối hợp trở kháng với đường dây 50Ω mà không làm giảm hệ số tạp âm của mạch là vấn

đề rất khó khăn mà người thiết kế cần phải chú ý Phối hợp trở kháng vào ra (trở kháng thuần trở) gần như là nhiệm vụ bắt buộc trong các thiết kế khuếch đại tạp âm thấp, chính vì thế trong phần này chúng ta cũng sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề này

Hình 1.7Sơ đồ khuếch đại kiểu E chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu

Một phương pháp khá hay để tạo nguồn trở kháng lối vào thực không làm suy giảm hệ số tạp âm là sử dụng mạch khuếch đại emitter chung triệt nhiễu dùng cuộn cảm Phương pháp này bắt nguồn từ bộ khuếch đại dùng đèn chân không từ thập kỉ 30 của thế kỷ trước Phương pháp này có thể áp dụng cho các mạch khuếch đại dùng tranzitor hay FET (trong trường hơp này chỉ điều chỉnh một chút trong khâu phân cực hoạt động cho FET), trong phần này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết ở phần tiếp theo

Hình 1.8 Sơ đồ thiết kế LNA dải hẹp Chú ý rằng suy hao điện dung(capacitive degeneration) có thể gây ra hiện tượng điện trở âm đối trở kháng lối vào gây ra mất ổn định trong thiết kế Chính vì thế, mọi điện dung kí sinh từ emitter tới đất sẽ làm lệch giá trị trở kháng thực hiện bởi phương pháp suy hao điện cảm inductive degneration Ảnh hưởng này sẽ được tính toán trong các thiết kế thực tế Điều quan trọng cần nhấn mạnh là thành phần điện trở trong trường hợp này không gây ồn nhiệt như các loại thông thường khác bởi thành phần thuần điện kháng về bản chất không gây nhiễu Chúng ta có thể lợi dụng đặc tính này

để cung cấp nguồn trở kháng lối vào lý thuyết không làm ảnh hưởng đến NF của bộ

khuếch đại

Tuy nhiên do trở kháng lối vào chỉ là thuần trở tại một giá trị tần số (cụ thể là khi xảy ra cộng hưởng), vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng với các thiết kế dải hẹp May mắn là có rất nhiều trường hợp mà trong đó thiết kế dải hẹp không chỉ được chấp nhận

mà còn được sử dụng hiệu quả, vì thế độ suy hao điện cảm (inductive degeneration) chắc chắn là một phương pháp thiết kế đem lại hiệu quả cao

Giá trị điện cảm Le được lựa chọn để tính trở kháng lối vào cần thiết (bằng nguồn điện trở Rs) Tại tần số cộng hưởng trở kháng lối vào có tính chất thuần trở, tuy nhiên để đảm bảo cho tính chất trên thì người ta thêm lối vào một giá trị cuộn Lb Ta

có VBE có giá trị lớn gấp Q lần giá trị thế lối vào Độ hỗ dẫn toàn phần Gm trong trường hợp này sẽ là:

Trong đó có thể sử dụng xấp xỉ gần đúng ωT với tỉ số gm1/Cπ

Các bước thiết kế là tương đối dễ hiểu Đầu tiên chọn dòng phân cực để có được

hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm yêu cầu rồi đó tính toán nguồn trở tối ưu sao cho hệ

số tạp là nhỏ nhất Sau đó đưa vào một độ suy hao điện cảm đủ để cung cấp một trở kháng lối vào mà phần thực bằng với giá trị nguồn trở tối ưu, kế tiếp chỉnh phần ảo của nguồn trở kháng (có tính dung kháng) để đưa vào mạch tín hiệu gốc để loại bỏ các thành phần kí sinh, từ đó tạo nên cộng hưởng lặp lối vào Cuối cùng,thêm vào một mạng phối hợp trở kháng phối hợp giữa tải 50Ω với trở kháng tối ưu của bộ khuếch đại Mạng phối hợp trở kháng thường kết hợp với giá trị điện cảm cần để tạo cộng hưởng lặp lối vào

Phương pháp này khá hay bởi nó giúp người thiết kế cân bằng tất cả các thông số cần quan tâm (phối hợp trở kháng với tải và thiết kế tạp âm thấp) Ngoài ra, điều kiện cộng hưởng lối vào cũng đảm bảo hệ số khuếch đại tốt, vì độ hỗ dẫn tỉ lệ với ωT/ω

Chính do ảnh hưởng của các khung cộng hưởng của lối vào/ra, điều này sẽ gây ra

sự thay đổi trở kháng vào ra của bộ khuếch đại do vậy ảnh hưởng tới tần số thiết kế

Sự thay đổi này thực sự là vấn đề mà người thiết kế cần phải chú ý Tuy nhiên thường thì sự dịch chuyển này chỉ làm dịch tần số thiết kế cỡ 1-2% so với tần số trung tâm (vì khi thiết kế ta đã thiết kế tần số cộng hưởng vào/ra đã được thiết kế chặt), thế nên tại một vài dải tần số thì sự dịch chuyển ảnh hưởng tới phối hợp trở kháng lối vào

Để xử lý vấn đề trên người ta sử dụng mạch ghép Cascode Song nó chỉ có hiệu quả một phần bởi vẫn là điện trở r0 đã nói ở tầng đầu sẽ làm hạn chế hiệu quả của cascoding Trong những tình huống phức tạp, người ta cần dùng đến một số tầng cascode mắc theo kiểu bazo chung Ngoài ra, giảm giá trị trở tải của tải collector cũng

có thể giải quyết vấn đề, song cũng đồng nghĩa với việc hệ số khuếch đại giảm vì vậy trong thiết kế thường sử dụng kết hợp cả hai biện pháp trên, tận dụng tối đa ưu điểm của chúng làm tăng phối hợp trở kháng và hạn chế đến mức thấp nhất những hiệu ứng không mong đợi

Hình 1.9 Thiết kế LNA dải hẹp dùng mạch dải

1.9.1 Suy hao do điện cảm emitter

Các thiết kế LNA dải hẹp chịu ảnh hưởng bởi cuộn cảm nối với emitter (inductance degeneration), vì cuộn cảm này sẽ tạo ra trở kháng lối vào thực tại lối vào của tranzitor Đối với tần số cao, giá trị cuộn thường là rất nhỏ nên rất khó cho việc chế tạo Ví dụ trong trường hợp sử dụng tranzitor 2SC3302 hoạt động với dòng phân cực 10mA thì cuộn cảm emitter có giá trị yêu cầu cỡ 2nH để có lối vào 50Ω Trong trường hợp này cần chú ý tới các thành phần cuộn cảm kí sinh, các thành phần này có thể tác động lên lối vào của tranzitor làm cho giá trị của nó mang tính chất dung kháng, vì thế người ta thường thêm vào các thành phần tụ ở lối vào trong thiết kế để bù trừ thành phần ký sinh đó (cần chú ý cầu trúc mạch điện cũng như khi thiết kế mạch in)

Việc sự dụng tải này có thể dùng phần tử thụ động hoặc dùng mạch dải như trong hình 1.10 Khi sử dụng mạch dải, nếu cần thiết có thể sử dụng một vài phương pháp phối hợp trở kháng đặc biệt bằng cách chèn thêm các đường dây phụ (taper) dọc theo đoạn mạch dải trên để thực hiện phối hợp trở kháng Như vậy, trở kháng của khung cộng hưởng sẽ đạt cực đại tại lối ra collector và đạt cực tiểu tại nguồn Vcc

Tính chất của khung cộng hưởng có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng dường dây mạch dải, tức là thay đổi trở kháng của đường dây Việc thay đổi độ rộng đường dây cũng sẽ tác động tời tỷ số L/C của đường dây và do đó thay đổi hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng Bên cạnh đó, cuộn dây mạch dải này còn hoạt động như một cuộn chặn cao tần, chúng ta sẽ thảo luận trong chương tiếp theo

1.9.3 Phân cực

Có nhiều cách phân cực cho bộ khuếch đại hoạt động ở tần số thấp Khi phân cực cho tranzitor người ta có thể sử dụng mạch phân áp và thêm điện trở giúp tăng tính ổn đinh cho mạch tại chân E của tranzitor cũng như tụ cách ly… Tuy nhiên phương pháp này là khó có thể áp dụng đối với dải sóng cực ngắn do ảnh hưởng của các thành phần

kí sinh là rất khó kiểm soát, và việc thiết kế cũng trở nên khó khăn hơn Việc sử dụng trở tại chân E với mục đích ổn định điểm làm việc cho tranzitor thông qua phản hồi

âm, ta cũng có thể áp dụng phản hồi âm từ C về E như trong hình 1.10

Nếu bỏ qua dòng bazơ, dòng chảy qua R1 và R2 là như nhau, bởi vậy thế qua R2 phụ thuộc vào dạng của thế qua R1 qua đó phụ thuộc VBE Thế lối ra một chiều lúc này có dạng:

1.10 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA

1.10.1 Hệ số tạp âm Noise Figure

Khi mạch điện được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên Sự dao động này tạo ra nhiệt Đối với mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn, lượng nhiệt tỏ ra là đáng kể Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm, ảnh hưởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống Trong hệ thống RF, tạp âm được kết hợp từ nhiều nguồn khác nhau Đơn vị của tạp âm thường dùng trong hệ thống RF là Công suất tạp âm Tạp âm nội: tạp âm được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp âm nội

Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker Noise

a) Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)

Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise

Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt Trong các linh kiện điện

tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này

Công suất tạp âm được định nghĩa:

= ∆ (1.17) trong đó: P: công suất tạp âm, [W]

k: hằng số Boltzmann, [J/K]

T: nhiệt độ vật dẫn, [K]

∆ : băng thông, [Hz]

b) Shot Noise (Shottky Noise)

Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng lượng như electron trong các mạch điện ly, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ để gây ra những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay các thiết bị bán dẫn Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cường

độ của ánh sáng Shot Noise tương tực Thermal Noise, cũng có phân bố dạng Gaussian (tạp âm trắng)

= 2 ∆ (1.18) trong đó: I: Dòng tạp âm hiệu dụng, [A]

q: giá trị điện tích electron 1,6.10-19 [C]

: dòng điện DC, [A]

∆ : băng thông, [Hz]

c) Flicker Noise (1/f Noise)

Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp Flicker Noise có mật đổ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số Flicker Noise không ảnh hưởng nhiều đến mạch ở tần số cao

d) Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)

Ta có các định nghĩa sau:

NF được tính theo đơn vị là [dB]

Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:

với: F x và G x lần lượt là Hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x

Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là

vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống

1.10.2 Hệ số khuếch đại

Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa S-parameter

là các thông số của ma trận tán xạ [S]

= : hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1

= : tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2

= : độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng

2 cửa

= : hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

| | : hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 1

| | : hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 2 Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xá [S] như sau:

Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất:

- Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình được cấp bởi mạch

- Độ lợi công suất hoạt động được ứng dụng cho khuếch đại công suất ngõ ra tuyến tính cao nhất, được xác định bởi công thức:

- Độ lợi công suất hiện hữu này được sử dụng trong mạch khuếch đại tạp

âm thấp LNA, và được cho bởi công thức:

- Đội lợi công suất chuyển đổi đánh giá độ lợi công suất của đầu ra và vào của mạng khi độ lợi tuyến tính là cao nhất, được cho bởi công thức:

Hệ thống ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đưa vào mà không

trở thành một mạch dao động Mạch cao tần được đặc trưng bởi 1 hệ số ổn định K,

được định nghĩa bởi công thức:

= | | | | |∆|

Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: > 1 và |∆| < 1

Điều này tương đương một hệ số khác, gọi là -factor được đĩnh nghĩa:

Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính Tín hiệu vào tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bão hoà của một trong các linh kiện của mạch Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tưởng) Bằng cách giảm bớt độ lợi

để tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch

Hình 1.11: Điểm nén 1-dB và Điểm chặn bậc 3

Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, người ta dùng thông số Điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point) – hay còn gọi là IIP3 (Input 3rd Order Intercept Point) Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1 Theo định nghĩa, giá trị của điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3 như sau:

trong đó: , : là các hệ số trong phép khai triển Taylor tín hiệu ra

OIP3: Ouput 3rd Order Intercept Point

IIP3: Input 3rd Order Intercept Point

dBc: độ lớn công suất nền nhiễu

P out: công suất tín hiệu tại ngõ ra

Hệ thống nhiều tầng:

Điểm 1-dB Compression và điểm IIP3 càng lớn, hệ thống sẽ càng tuyến tính

CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP

ÂM THẤP 2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần

2.1.1 Các loại đường truyền

Đường truyền là thiết bị để giới hạn sự lan truyền các dao động điện từ hay các dòng năng lượng điện từ theo hướng đã cho Đường truyền dùng để truyền dẫn năng lượng siêu cao tần gọi là đường truyền năng lượng siêu cao tần

Trong đường truyền hở, tại tiết diện ngang không có vòng kim loại bao bọc vùng truyền năng lượng siêu cao tần Đường truyền hở có nhiều dạng khác nhau như: đường dây đôi, mạch dải, đường truyền sóng mặt…

Đối với đường truyền kín, trong nó có ít nhất một mặt vật dẫn kim loại bao bọc hoàn toàn vùng truyền năng lượng siêu cao tần Đường truyền kín là các ống kim loại rỗng có tiết diện khác nhau, bên trong chứa các chất điện môi đồng nhất khác nhau hoặc không khí hay chân không Chúng gọi là ống dẫn sóng

Hai dây kim loại Cáp đồng trục

Hình 2.1 Các dạng đường truyền sóng

Ở dải sóng mét, người ta dùng đường dây đôi và cáp đồng trục để truyền dẫn năng lượng siêu cao Đường dây đôi có cấu trúc đơn giản và cho kích thước ngang khá gọn, dễ điều chỉnh phối hợp Nhưng ở dải sóng decimet, cáp đồng trục dùng phổ biến, dây đôi không được sử dụng rộng rãi vì tổn hao do bức xạ và hiệu ứng bề mặt Trong dải sóng centimet, đường truyền sóng phổ biến là các ống dẫn sóng chữ nhật và trụ tròn vì nó cho tiêu hao nhỏ, kích thước phù hợp, cáp đồng trục ít được dùng vì tổn hao

do hiệu ứng bề mặt ở lõi trong và tổn hao trong điện môi lớn Nó chỉ dùng ở khoảng cách ngắn và công suất nhỏ Trong dải milimet, các ống dẫn sóng chữ nhật và tròn không được dùng phổ biến do kích thước nhỏ, khó chế tạo và tiêu hao lớn Ở dải sóng này, đường truyền phổ biến là mạch dải, đường truyền sóng mặt như: ống dẫn sóng điện môi, dây dẫn đơn có phủ chất điện môi

2.1.2 Phương trình đường truyền

Đường truyền sóng được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài z (hình 2.2a) có thể được biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.2b)

Hình 2.2 Biểu diễn đường truy

Trong đó:

R: điện trở nối tiL: điện cảm nG: điện dẫn song song trên mC: điện dung song song trên mPhương trình truyền sóng như sau:

i tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, m

m nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H

n song song trên một đơn vị dài, S m

n dung song song trên một đơn vị dài, F m

n sóng như sau:

)()(

)(

z I L i R z

z V

)(

z V C i G z

z I

(RiL GiC



t số phức, có thể viết

C i G L i R