Chương 2: KHUẾCH ĐẠI RF I. Lý thuyết chung về khuếch đại RF II. Thiết kế mạch khuếch đại RF III. Quy trình tính toán, thiết kế bộ khuếch đại RF Thiết kế đơn tầng 1 Kiến thức cần ôn tập lại • Tính toán số phức: công thức Euler,.
• Cơ bản về Tranzito trường (FET) • Mạng nhiều cực siêu cao tần: ma trận tán xạ [S] • Lý thuyết đường truyền siêu cao tần • Đồ thị Smith: cấu trúc, các tính chất quan trọng • Phối hợp trở kháng trên đồ thị Smith • Khuếch đại tín hiệu nhỏ, khuếch đại công suất • Các chế độ hoạt động cơ bản của tầng KĐCS 2 Đặc điểm của KĐ tuyến tính RF • Tham số đánh giá độ tuyến tính: – Tuyến tính 1 tần số: điểm nén 1-dB – Tuyến tính 2 tần số: méo xuyên điều chế bậc 3 (IMD3) • Công suất ra cực đại tính tại điểm nén 1-dB • Thường phân áp ở chế độ A, B hoặc AB • Chế độ AB thường được sử dụng ở dải siêu cao tần thay vì chế độ B vì: hệ số KĐCS của chế độ B thường thấp tại dải SCT. 3 Chỉ tiêu kỹ thuật 1. Dải tần làm việc 2. Hệ số khuếch đại công suất 3.
Trở kháng vào 4. Trở kháng ra 4 Figure of Merit (FoM) 1. Maximum Available Gain (MAG)/Maximum Stable Gain (MSG) 2. Maximum oscillation frequency (fmax) 3.
Lý thuyết chung về các bộ khuếch đại RF 1. Định nghĩa về hệ số khuếch đại công suất của mạng 4 cực • [S]: Ma trận tán xạ của mạng 4 cực (2 cổng) • ZS, ZL: Trở kháng nguồn và trở kháng tải • S, L: Hệ số phản xạ nguồn và tải • in, out: Hệ số phản xạ đầu vào/đầu ra của mạng 4 cực • V1+, V1-: Điện áp tới và điện áp phản xạ ở đầu vào • V2+, V2-: Điện áp tới và điện áp phản xạ ở đầu ra • Z0: Trở kháng đặc tính của mạng 4 cực 8 Ma trận tán xạ [S] 𝑏𝐿− 𝑍𝐿 − 𝑍𝑆∗ Γ𝐿𝑃 = + = 𝑎𝐿 𝑍𝐿 + 𝑍𝑆∗ Sóng điện Sóng công Sóng công Sóng điện áp tới suất tới suất phản xạ áp phản xạ 𝑉𝐿− 𝑍𝐿 − 𝑍𝑆 Γ𝐿𝑉 = + = 𝑉𝐿 𝑍𝐿 + 𝑍𝑆 Sóng công suất: Ma trận tán xạ [S] sử dụng được cho cả sóng điện áp và sóng công suất 9 Các định nghĩa: • Hệ số khuếch đại công suất: GP = PL/Pin - Operating Power gain – PL: Công suất đưa ra tải – Pin: Công suất đầu vào mạng 4 cực • Hệ số khuếch đại công suất cực đại: GA = Pavn/Pavs - Maximum Available Gain – Pavn: Công suất cực đại từ mạng 4 cực – Pavs: Công suất cực đại từ nguồn • Hệ số KĐCS danh định: Ga = Pavn/Pin - Available Gain • Hệ số khuếch đại công suất truyền đạt: GT = PL/Pavs - Transducer Gain – PL: Công suất đưa ra tải – Pavs: Công suất cực đại từ nguồn • Nếu đầu vào và ra được phối hợp: S = in* và L = out* → G = GA = G T 10 2. Các mối quan hệ với ma trận tán xạ [S] 𝑉1− = 𝑆11 𝑉1+ + 𝑆12 𝑉2+ 𝑉2− = 𝑆21 𝑉1+ + 𝑆22 𝑉2+ 𝑉1 = 𝑉1+ + 𝑉1− 𝑉2 = 𝑉2+ + 𝑉2− 2. Hệ số phản xạ: 𝑉𝐿− 𝑍𝐿 − 𝑍0 𝑉1− 𝑍 −𝑍 𝑆 𝑆 Γ Γ𝐿 = + = 𝑉𝐿 𝑍𝐿 + 𝑍0 Γ𝑖𝑛 = + = 𝑖𝑛 0 = 𝑆11 + 12 21 𝐿 𝑉1 𝑍𝑖𝑛 +𝑍0 1−𝑆22 Γ𝐿 𝑉𝑆− 𝑍𝑆 − 𝑍0 𝑉2− 𝑍𝑜𝑢𝑡 − 𝑍0 𝑆12 𝑆21 Γ𝑆 Γ𝑆 = + = Γ𝑜𝑢𝑡 = + = = 𝑆22 + 𝑉𝑆 𝑍𝑆 + 𝑍0 𝑉2 𝑍𝑜𝑢𝑡 + 𝑍0 1 − 𝑆11 Γ𝑆 • S, L: Hệ số phản xạ phía nguồn và tải • in, out: Hệ số phản xạ đầu vào/đầu ra của mạng 4 cực • Z0: Trở kháng đặc tính của mạng 4 cực 11 2.
Công suất: • Công suất trung bình đi vào mạng 4 cực: • Công suất đưa ra tải: 12 2. Công suất: • Công cực đại từ nguồn: • Công suất cực đại từ mạng 4 cực: 13 2. Hệ số khuếch đại công suất: • Hệ số khuếch đại công suất (GP): Chỉ phụ thuộc [S] và ZL • Hệ số khuếch đại công suất cực đại: Chỉ phụ thuộc [S] và không phụ thuộc ZS và ZL • Hệ số khuếch đại công suất truyền đạt: Phụ thuộc [S] và cả ZS và ZL • Lưu ý 1: Khi L = S = 0: GT = S212 • Lưu ý 2 (hệ số khuếch đại đơn hướng): Khi S12 = 0 (có giá trị nhỏ) 14 Ví dụ: Một tranzito lưỡng cực (BJT) có tham số ma trận tán xạ tại tần số 1 GHz như sau, với trở kháng đặc tính bằng 50 : Trở kháng nguồn ZS = 25 và trở kháng tải ZL = 40 . Hãy tính hệ số khuếch đại công suất (G), hệ số KĐCS cực đại (GA), hệ số KĐCS truyền đạt (GT).
15 • Các hệ số phản xạ tại nguồn và tải: • Các hệ số phản xạ đầu vào/đầu ra: • Hệ số KĐCS (G): • Hệ số KĐCS cực đại (GA): • Hệ số KĐCS truyền đạt (GT) 16 3. Hệ số khuếch đại công suất của bộ khuếch đại: Hệ số KĐ hiệu dụng của Hệ số KĐ hiệu dụng của Hệ số KĐ hiệu dụng của mạch PHTK vào tranzito mạch PHTK ra Hệ số KĐCS truyền đạt của toàn mạch 17 ❑ Nếu tranzito là đơn hướng: S12 = 0 18 ❑ Ví dụ: xét sơ đồ tương của 1 tranzito FET như hình vẽ (đơn hướng) ZL ZS Tranzito • Để phối hợp đầu vào/ra: Zin = ZS*; Zout = ZL*: 𝑋 = 1/𝜔𝐶𝑔𝑠 𝐵 = −𝜔𝐶𝑑𝑠 • Mà: • Từ đó: 19 4. Độ ổn định của mạng 4 cực tích cực: • Ổn định không điều kiện: Γin < 1 Γout < 1 với mọi giá trị của ZS và ZL • Ổn định có điều kiện: Γin < 1 Γout < 1 với 1 vùng giá trị của ZS và ZL Lưu ý: trong thực tế, độ ổn định phụ thuộc vào tần số do ZS và ZL phụ thuộc vào tần số. Các họ vòng tròn ổn định trên đồ thị Smith: • Để mạch ổn định: • Nếu tranzito là đơn hướng (S12 = 0): S11<1 và S22<1 • Nếu tranzito là song hướng (S12 0): 2 PT trên sẽ xác định các giá trị của L và S mà bộ khuếch đại được ổn định.
• Vòng tròn ổn định trên đồ thị Smith là quỹ tích các điểm trên các mặt phẳng L và S mà in=1 (hoặc out=1). • Vòng tròn ổn định được sử dụng dể xác định ranh giới giữa các vùng ổn định và không ổn định tương ứng với các giá trị của L và S. • L và S phải nằm trong đồ thị Smith đối với mạch PHTK thụ động. Xây dựng họ vòng tròn ổn định: • Xét độ ổn định tải: • Biến đổi ta được: → Họ vòng tròn ổn định tải với: ✓ Tâm vòng tròn: ✓ Bán kính: 22 → Tương tự, họ vòng tròn ổn định nguồn có: ✓ Tâm vòng tròn: ✓ Bán kính: Mặt phẳng S Mặt phẳng L 23 5.
Xác định vùng ổn định trên đồ thị Smith: • Xét mặt phẳng L khi : ZL = Z0 → L = 0 → in= S11 do đó: ✓ Nếu S11< 1 →in< 1 nên : điểm L = 0 (tâm đồ thị) là điểm ổn định → tất cả các điểm nằm trong đồ thị Smith (L< 1) giao với vòng tròn ổn định cũng ổn định. (trường hợp a) ✓ Nếu S11> 1 →in> 1 nên : điểm L = 0 (tâm đồ thị) là điểm không ổn định → tất cả các điểm nằm trong đồ thị Smith (L< 1) giao với vòng tròn ổn định cũng không ổn định. (trường hợp b) 24 • Đánh giá tương tự với mặt phẳng S và S22 ✓ Bộ khuếch đại ổn định không điều kiện khi: ▪ Đồ thị Smith không giao với vòng tròn ổn định ✓ Nếu S11> 1 hoặc S22> 1: không tồn tại ổn định không điều kiện ✓ Thực tế lưu ý: ▪ Độ ổn định phụ thuộc vào tần số ▪ Độ ổn định phụ thuộc vào điểm làm việc tĩnh của tranzito ▪ ZS, ZL càng xa vùng không ổn định càng tốt 25 5. Điều kiện ổn định không điều kiện và có điều kiện: ❑ Tiêu chuẩn Rollet (hay tiêu chuẩn K - ): 2 điều kiện sau phải thỏa mãn đồng thời: Điều kiện cần Điều kiện đủ (Hệ số ổn định Rollet) • Nếu bộ KĐ không thỏa mãn điều kiện Rollet thì nó sẽ ổn định có điều kiện và phải sử dụng họ vòng tròn ổn định để xác định vùng ổn định.
• Nếu K càng lớn thì càng “an toàn” nhưng Gain thấp. ❑ Tiêu chuẩn (Được sử dụng khi muốn so sánh độ ổn định của các linh kiện với nhau thì sử dụng): • Nếu > 1 thì mạch ổn định không điều kiện. • càng lớn thì mạch càng ổn định. 26 Ví dụ: Một bóng bán dẫn hiệu Triquint T1G6000528 GaN HEMT có các tham số ma trận tán xạ tại tần số 1.9 GHz (Z0 = 50 ) như sau: Hãy xác định độ ổn định của bóng bán dẫn này sử dụng tiêu chuẩn Rollet và tiêu chuẩn .
Vẽ vòng tròn ổn định trên đồ thị Smith? Lời giải: • Sử dụng tiêu chuẩn K- • Sử dụng tiêu chuẩn : Bóng bán dẫn ổn định có điều kiện 27 • Vẽ họ các vòng tròn ổn định: Vòng tròn ổn định tải Vòng tròn ổn định nguồn Vùng không ổn định 28 Các phương pháp ổn định không điều kiện: ❑ Ổn định nguồn: ❑ Ổn định tải: ❑ Nhược điểm: • Giảm HSKĐ • Sinh nhiễu • Đặc trưng tần số suy giảm 29 II. Thiết kế mạch khuếch đại RF (1 tầng) 1. Thiết kế mạch với hệ số KĐCS lớn nhất (GA) - đơn hướng + song hướng + Áp dụng cho cả đơn hướng và song hướng + Đầu vào/ra phối hợp đồng thời + Chỉ có 1 điểm duy nhất trên đồ thị Smith → khó tối ưu các chỉ tiêu khác 2. Thiết kế mạch với hệ số KĐCS bất kỳ (GT) – đơn hướng (Unilateral) + Tải đầu vào; đầu ra bất kỳ (không phối hợp) + GT phụ thuộc cả ZS và ZL + Tính gần đúng HSKĐ, tính toán đơn giản + Hy sinh Gain để cải thiện: dải thông, độ tuyến tính, hệ số tạp âm, độ bằng phẳng của HSKĐ 3.
Thiết kế mạch với hệ số KĐCS bất kỳ (G) – song hướng (Bilateral) + Phối hợp đầu vào; đầu ra tải bất kỳ + GP chỉ phụ thuộc tải đầu ra (ZL) + ZS và ZL phụ thuộc lẫn nhau Thường hoạt động ở chế độ A 30 + Tính chính xác, tính toán phức tạp 1.