Phân tích, thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) dùng cho băng tần Ku

- 4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- 11 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP – LNA 1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp – LNA.
- 1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp – LNA.
- 1.3 Lý thuyết về tạp âm đối với mạng hai cửa.
- 1.4 Hệ số tạp âm.
- 1.6 Hệ số tạp âm và nhiệt độ.
- 25 1.9 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại – LNA.
- 1.9.1 Hệ số tạp âm (NF – Noise Figure.
- 1.9.3 Hệ số khuếch đại.
- CHƯƠNG 2 – PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI 2.1 Lý thuyết chung.
- 3.1.2 Yêu cầu thiết kế cho mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng Ku.
- Thiết kế mạch và mô phỏng mạch khuếch đại.
- 3.2.3 Phối hợp trở kháng mạch khuếch đại.
- Bài toán phân tích, thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp tại băng tần Ku trở nên cần thiết và có ý nghĩa quan trọng.
- Chính vì vậy, đề tài luận văn “Phân tích và thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần Ku” sẽ cố gắng trình bày để làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần Ku.
- Mục tiêu đề tài Mục đích chính của đề tài là nhằm đưa ra một thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA có cấu trúc đơn giản, sử dụng transistor trường có chi phí thấp nhưng hoạt động hiệu quả ở tần số cao và đáp ứng được yêu cầu làm việc trong dải tần 12GHz - 18GHz, hệ số khuếch đại > 10dB.
- Luận văn “Phân tích và thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần Ku” có các mục tiêu lý thuyết và thực tiễn sau.
- Về lý thuyết + Trình bày cơ sở lý thuyết thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp + Trình bày tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp - Về thực tế + Thiết kế mạch, chạy mô phỏng và đo đạc thông số bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần Ku bằng phần mềm ADS 2016 11 3.
- 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 - Nghiên cứu phần mềm mô phỏng và transistor được chọn 4.2 Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp - Thiết kế và mô phỏng mạch - Xuất dữ liệu kết quả mô phỏng 5.
- Bố cục luận văn Nội dung luận văn gồm 3 chương Chương 1: Tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp Chương 2: Phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại Chương 3: Mô phỏng và xuất dữ liệu 12 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP 1.1 Khái niệm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA LNA là viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp.
- Chính vì vậy cần phải có các bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏ chính xác Các mạch cao tần là phi tuyến tính tức là không biến đổi theo chiều hướng có thể biết dự đoán trước và rất nhạy cảm với nhiệt.
- Chính tạp âm nhiệt này gây ra 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 luôn tạp âm.
- Chính vì vậy bộ LNA được dùng để khuếch đại tín hiệu cần thiết để đạt được một độ lợi (Gain) tốt nhất, đồng thời cũng hạn chế tối đa việc khuếch đại tín hiệu tạp âm.
- 1.2 Vị trí bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp là rất cần thiết trong hệ thống thông tin di động, đặc biệt là bộ phận thu.
- Bộ khuếch đại tạp âm thấp thể hiện trong hình 1.1 là bộ khuếch đại tầng đầu vào của máy thu, được đặt càng gần anten thu càng tốt, có vai trò quan trọng nhằm tăng tín hiệu thu mong muốn và giảm tạp âm gây ra trên tuyến anten và feeder, bởi vì tín hiệu thu được từ anten về công suất là rất yếu, sẽ được khuếch đại thông qua LNA.
- Đồng thời, với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu với tạp âm là tối ưu.
- Lúc này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp nhất.
- Từ đây, dựa vào công thức Friis (liên quan đến công suất phát và thu của Anten khi hai anten cách nhau một khoảng cách R > 2D2λ, với D là kích thước lớn nhất của Anten), hệ số tạp âm NF của máy thu sẽ là thấp nhất, do ảnh ưởng nhiều nhất từ tầng khuếch đại đầu tiên.
- 13 Hình 1.1 Sơ đồ khối một phần mạch thu tín hiệu RF cơ bản 1.3 Lý thuyết cơ bản về tạp âm đối với mạng hai cửa Chúng ta sẽ nói sơ qua về khái niệm tạp âm trong mạng hai cửa [3].
- Hình 1.2 Mô hình mạng 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 ký hiệu là F.
- Hệ số tạp âm được xác định bởi F=Tổng công suất tạp âm lối ra / Tạp âm lối ra gây bởi nguồn tạp âm lối vào Nhiệt độ tính ở 290K (1.1) Hệ số tạp âm dùng để đo sự suy giảm phẩm chất trong tỷ số tín hiệu/tạp âm của hệ thống và tỷ lệ thuận với độ suy giảm phẩm chất này.
- Nếu một mạng hai cửa bản thân không gây nhiễu thì hệ số tạp âm bằng 1.
- Trong hình 1.2, tạp âm được coi là lối vào của mạng 2 của không gây nhiễu nên ta có thể tính được giá trị của hệ số tạp âm.
- Để tính toán trực tiếp dựa trên phương trình (1.1), ta cần đo tổng công suất tạp âm ở lối ra, sau đó là chia cho công suất tạp âm gây ra bởi nguồn lối vào.
- Hình 1.3 Mô hình tạp âm hai cửa tương đương Trong quá trình thực hiện phép đo này, vấn đề hay gặp là kết hợp các nguồn tạp âm có bậc tương quan khác nhau.
- Ví dụ, nếu công suất tạp âm 15 của nguồn và của mạng hai cửa là không tương quan thì biểu thức của hệ số tạp âm có thể biểu diễn: sieYiiFssn222.
- Khi ic tương quan en, nó được coi là tỉ lệ với en theo hệ số: Ic = Ycen (1.4) Kết hợp hệ số tạp âm trở thành: sieYsYcisieYsYciiFsunus2222222||1.
- (1.9) 1.5 Dẫn nạp nguồn vào lý 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.
- Hệ số tạp âm ứng với lựa chọn này được suy ra trực tiếp khi thay thế vào min ccnuncoptnGGRGRGGRF.
- (1.12) Ngoài ra còn có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp: ])()[(22min optsoptssnBBGGGRFF.
- (1.13) Bản chất của việc cực tiểu hóa hệ số tạp âm có phần nào giống với cực đại hóa công suất truyền, nguồn dẫn nạp trong hai trường hợp trên thường khác nhau như trên phương trình (1.12) và (1.13).
- Kết quả là nếu tối ưu về tạp âm thì phải chịu thiệt về hệ số khuếch đại và ngược lại.
- NF (dB) F TN(oK Bảng 1: Bảng quy đổi hệ số tạp âm (dB) 1.7 Xây dựng mô hình mạng hai cực Để hiểu rõ các đặc tính của thiết kế LNA dải hẹp, trước hết cần xây dựng mô hình tạp âm cho transistor lưỡng cực.
- Với các tần số cao hơn, những đặc tính linh kiện như hệ số khuếch đại bị suy giảm nhanh chóng … 18 Hình 1.4 Mô hình tạp âm cho tranzitor lưỡng cực Mỗi lớp tiếp giáp của transistor lưỡng cực gây ồn nổ (ồn Shottky), đặc trueng bởi nguồn dòng song song mà mật độ phổ trung binhg 2qIDC (IDC là giá trị dòng phân cực qua vùng chuyển tiếp).
- Đây là dạng chồng chất gây bởi tính độc lập thống kê của nguồn tạp âm.
- Mô hình transistor tín hiệu nhỏ (hình 1.4) tuy đơn giản nhưng lại có thể biểu diễn được các ảnh hưởng đặc biệt quan trọng khi đo hệ số tạp của bộ khuếch đại lưỡng cực.
- Từ mô hình trên có thể thiết lập biểu thức tính toán chính xác cho hệ số tạp của một bộ khuếch đại và hơn nữa, tính toán được giá trị nguồn trở kháng tối ưu.
- 19 Hình 1.5 Mô hình để tính toán giá trị tạp âm F=Tổng công suất tạp âm lối ra/ công suất tạp âm lối ra gây bởi nguồn nhiễu (xét ở nhiệt độ 290oK) (1.14) Để sử dụng công thức trên, cần nối nguồn trở kháng (ồn nhiệt) vào mạch ở hình 1.4 rồi đo từng thành phần (hình 1.5).
- 1.8 Bộ LNA dải hẹp Những mục trước đã phân tích và tìm hiểu được rằng các thiết kế tạp âm thấp phụ thuộc nhiều vào việc chọn lựa giá trí nguồn trở kháng vào tối ưu.
- Hơn nữa, trở kháng lối vào transistor 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.
- Phối hợp trở kháng vào ra (trở kháng thuần trở) gần như là 20 bắt buộc trong các thiết kế khuếch đại tạp âm thấp, chính vì thế trong phần này chúng tạp âm cũng sẽ tập trung nghiên cứu.
- Hình 1.6 Sơ đồ khuếch đại kiểu emitter chung dùng cuộn cảm triệt nhiễu Một phương pháp khác 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 có thể dùng cho các mạch khuếch đại dùng transistor hay FET.
- 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.
- Đầu tiên chọn dòng phân cực để có được hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm yêu cầu rồi tính toán nguồn trở tối ưu sao cho hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm là nhở nhất.
- Cuối cùng thêm vào một mạng phối hợp trở kháng phối hợp giữa tải 50Ω với trở kháng tối 22 ưu của bộ khuếch đại.
- 1.8.3 Phân cực Có nhiều cách phân cực cho bộ khuếch đại hoạt động ở tần số thấp.
- 25 1.9 Các thông số quan trọng của mạch khuếch đại LNA 1.9.1 Hệ số tạp âm (NF – Noise Figure) Khi mạch điện được cấp nguồn, các điện tử dao động ngẫu nhiên.
- 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.
- Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cường độ của ánh sáng.
- Công suất tạp âm được xác định theo công thức: P=k.T.
- ∆f (1.17) Trong đó: P: công suất tạp âm [W] K: hằng số Boltzmann [J/K] T: nhiệt độ vật dẫn [K] ∆f: băng thông [Hz] d) Hệ số tạp âm NF (Noise Figure) Xét bộ khuếch đại tạp âm thấp trong sơ đồ sau [5]: Hình 1.10 Khối khuếch đại tạp âm thấp Chất lượng của bộ khuếch đại tạp âm thấp không chỉ phụ thuộc vào hệ số khuếch đại mà còn phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu so với tạp âm.
- Bởi vậy, người ta định nghĩa đại lượng hệ số tạp âm, ký 27 hiệu là NF, để đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại xét trên tiêu chí ảnh hưởng của tạp âm đến bộ khuếch đại.
- (1.20) NF được tính theo đơn vị là dB Hệ số tạp âm NF càng nhỏ thì chất lượng của bộ khuếch đại càng tốt, bộ khuếch đại không chỉ có tác dụng khuếch đại mà còn hạn chế được việc tăng nhiễu.
- Ký hiệu Pin là công suất tín hiệu có ích phía đầu vào bộ khuếch đại.
- Gp là hệ số khuếch đại công suất.
- Pan là công suất nhiễu ở phía đầu ra, bị gây ra bởi nội tại bộ khuếch đại.
- Khi đó: SNRin=Pin/Psn (1.21) SNRout=(Gp*Pin)/(Gp*Psn+Pan) (1.22) Suy ra: NF=10log {(Gp*Psn+Pan)/(Gp*Psn)} (1.23) Như vậy, có thể thấy hệ số tạp âm NF còn là tỷ số giữa tổng công suất nhiễu phía đầu ra bộ khuếch đại so với công suất nhiễu của nguồn đầu vào bộ khuếch đại ở phía đầu ra.
- Do đó, hệ số tạp âm càng nhỏ thì ảnh hưởng của thành phần nhiễu gây ra bởi nội tại bộ khuếch đại càng nhỏ, chất lượng của bộ khuếch đại càng tốt.
- Hệ số tạp âm hệ thống – Công thức Friis nnGGFGGFGFFF (1.24) với: Fx và Gx 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.
- Có thể thấy rằng hệ số truyền đạt công suất S12 phụ thuộc trực tiếp vào hệ số khuếch đại công suất.
- Tuy nhiên, để thỏa mãn yêu cầu, thì không chỉ việc tăng hệ số khuếch đại mà việc phối hợp trở kháng cũng đóng vai trò quan trọng.
- Mạch khuếch đại lý tưởng là mạch tuyến tính hoàn toàn.
- Có nghĩa là với mọi tín hiệu vào sẽ đều được mạch khuếch đại.
- Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính.
- Xét trường hợp mạch khuếch đại công suất MOSFET.
- 0 thì hệ số khuếch đại sẽ tăng lên, ngược lại, nếu (α1*α3.
- 0 thì hệ số khuếch đại sẽ bịgiảm xuống (bị “nén” lại).
- Trong trường hợp hệ số khuếch đại bị nén lại, đểđịnh lượng hiệu ứng này, người ta định nghĩa điểm nén ICP.
- Hình 3.1 Phần mềm mô phỏng ADS Yêu cầu thiết kế cho mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng Ku Băng tần Ku (K-under) có dải tần từ 12 GHz - 18 GHz, nhưng trong bài luận văn này, ta thực hiện nghiên cứu thiết kế mô phỏng một bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấp (LNA) hoạt động ở khoảng tần số 12,1 GHz – 13,3 GHz tại tần số trung tâm 12,7 GHz với băng thông khoảng 70 MHz của băng tần Ku có khả năng đáp ứng các yêu cầu sử dụng trong mạch khuếch đại siêu cao tần với hệ số khuếch đại (Gain) lớn hơn 10 dB, hệ số phản xạ lối vào (S11) thấp hơn -20 dB và hệ số tạp âm NF nhỏ hơn 3dB.
- Tham số Chi tiết Tần số hoạt động GHz 12,7 GHz Hệ số khuếch đại (Gain) dB > 10 dB Hệ số tạp âm NF dB < 3 dB Số tầng 1 Bảng 2: Yêu cầu bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng tần Ku (5) 3.1.3 Lựa chọn transistor cho việc thiết kế Trong hệ thống thu nhận điện tử, mức tăng công suất lớn nhất và tạp âm nhỏ nhất cũng không kém phần quan trọng.
- Tuy nhiên trong thực tế thiết kế, hầu hết các trường hợp đều không thể đạt được công suất tối đa và tạp âm tối thiểu.
- Dó đó có một sự cân bằng giữa độ nhạy cao và tạp âm thấp.
- Mô hình khối của bộ LNA được thể hiện như hình dưới: Hình 3.2 Sơ đồ mạch khuếch đại cao tần tạp âm thấp 45 Sơ đồ bộ khuếch đại tạp âm thấp như hình 3.2 sử dụng cho thiết kế bao gồm phần phối hợp trở kháng lối vào, lối ra và linh kiện khuếch đại transistor trường.
- G0 lần lượt là các mạch phối hợp đầu vào đầu ra và khuếch đại với hệ số cực đại tương ứng là GSmax.
- Căn cứ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật của mạch khuếch đại đã được xác định, các yếu tố độ lợi, tạp âm và sự ổn định được xem xét cho tất cả transistor và cuối cùng transistor ATF-3067 (hãng HP) được chọn [7], đây là transistor trường pHEMT GaAs (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) được sử dụng phổ biến trong các thiết kế LNA do có hiệu suất, độ lợi cao và tạp âm thấp tại tần số hoạt động.
- Transistor ATF-3067 có dải tần hoạt động rộng, độ lợi (Gain), hệ số tạp âm NF (noise figure) thấp phù hợp thiết kế các bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA.
- IDS=10mA Kí hiệu Tham số Đơn vị Danh định NF Hệ số tạp âm f = 12 GHz V 0,5 Ga Hệ số khuếch đại f = 12 GHz V 12 VGS 10mA Thiên áp cực Bazơ V -0,2 Bảng 5: Các tham số chức năng của ATF-36077 Hình 3.3 Độ lợi G theo tần số của ATF-36077 47 Từ hình 3.3 ta thấy khi chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp làm việc tại tần số 12.7GHz thì việc lựa chọn transistor ATF-36077 là hợp lý, tần số 12.7GHz nằm trong dải tần hoạt động của transistor ATF-36077.
- Tệp dữ liệu không cung cấp tham số S và giá trị hệ số tạp âm chính xác tại 12,7GHz , để có được tham số S, phép nội suy được sử dụng.
- Hệ số khuếch đại tối đa của mạch thiết kế có thể ước lượng thông qua các tham số tán xạ của ATF-36077, do đã coi S12 ≈ 0, nên tạp âm có thể ước lượng hệ số khuếch đại mạch thiết kế đạt tới theo công thức: 222221211max1111SSSGTU.
- (3) Khảo sát hệ số phẩm chất U nhằm đơn giản việc thiết kế và đánh giá sai số khi thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA.
- Với giá trị U đủ nhỏ dần tới 0, tạp âm có thể coi S12 ≈ 0 3.2 Thiết kế mạch và mô phỏng mạch khuếch đại 3.2.1 Phương pháp phối hợp trở kháng Theo như đã nói ở chương trước, có rất nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác như: dây chêm song song, nối tiếp, λ/4, phần tử tập trung.
- Hệ số tạp âm của mạch thiết kế NF = 1,041 dB xấp xỉ bằng 1, đủ nhỏ nhằm đảm bảo hệ số khuếch đại lối ra đủ lớn cho việc chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA.
- Nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật siêu cao tần - Tìm hiểu tổng quan về bộ khuếch đại tạp âm thấp trong các bộ thu băng Ku - Tìm hiểu thiết kế, mô phỏng các mạch siêu cao tần bằng phần mềm thiết kế chuyên nghiệp ADS - Thiết kế, mô phỏng, thành công bộ khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu siêu cao tần băng Ku.
- Hệ số khuếch đại 12.148 dB

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt