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).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.1 Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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.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) (Nguồn thường đặt ở nhiệt độ phòng 290K) (1.1) 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 1.2, 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. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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: | | = (1.2) 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: = + (1.3) Trong đó: ic liên quan tới en, in không liên quan. Khi ic tương quan en, nó được coi là tỉ lệ với en theo hệ số: = (1.4) Yc gọi là tương quan dẫn nạp.4) hệ số tạp âm trở thành: | ( ) | | | = =1+ (1.5) Phương trình (1.5) gồm 3 nguồn tạp âm tự do, mỗi nguồn có thể được coi là ồn nhiệt sinh bởi một điện trở hoặc điện dẫn tương đương: ≡ (1.8) ∆ Sử dụng những biến đổi tương đương nên phương trình có hệ số tạp âm hoàn toàn có thể biểu diễn theo dẫn nạp và trở kháng: | | ( ) ( ) =1+ =1+ (1.9) Trong công thức (1.9), ta dễ dàng phân tích được mỗi thành phần dẫn nạp thành tổng của điện dẫn G và điện nạp B. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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: =− = (1.11) 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.
Hệ số tạp âm ứng với lựa chọn được suy ra trực tiếp khi thay thế (1.12) Ta còn có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp: = + − + − (1.13) Một điều đáng lưu ý rằng mặc dầu bản chất 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 đã thấy trong phương trình (1. Kết quả là thiết kế tối ưu về tạp âm thì phải chịu thiệt về hệ số khuếch đại và ngược lại.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.7 Hệ số tạp và nhiệt độ Ngoài hệ số ồn, hai tham số đặc trưng cho các linh kiện điện tử thường được đề cập trong các giáo trình kĩ thuật là hệ số tạp tính theo dB và nhiệt độ tác động lên tạp âm của linh kiện đó. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 17 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. 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.