CHƯƠNG 1 4 thu và liên quan đến tầm đo, tầm hoạt động của radar. Nếu máy thu có hệ số nhiễu cao, biên độ của nhiễu sẽ chồng lấn lên biên độ của tín hiệu mong muốn, làm cho máy thu không nhận ra được. Một vấn đề quan trọng nữa của LNA là tính tuyến tính. Khi hoạt động, LNA có thể bị ảnh hưởng bởi ảnh hưởng méo xuyên điều chế (Intermodulation signals-IM signals).
Độ tuyến tính cao có thể giúp LNA ngăn chặn được điều này. Độ tuyến tính của LNA liên quan đến khả năng đáp ứng tín hiệu lớn mà không bị méo dạng, chịu được can nhiễu tốt. Sự phi tuyến sẽ gây hiện tượng méo xuyên điều chế và tạo ra các hài bậc cao sẽ làm méo dạng tín hiệu, dẫn đến tín hiệu sau khi giải điều chế sẽ khó để đạt được tỉ lệ lỗi bit thấp. Tính tuyến tính sẽ được đặc trưng bởi điểm chặn bậc ba (IP3) và điểm nén phi tuyến (P1dB).
IP3 và P1dB càng lớn thì mạch càng tuyến tính. Mặc dù thông thường tín hiệu nhận được của LNA là khá nhỏ và nằm trong vùng tuyến tính, độ tuyến tính cũng nên quan tâm trong khi thiết kế để tránh ảnh hưởng phi tuyến không muốn trong trường hợp xuất hiện tín hiệu lớn. Các mạch khuếch đại nhiễu thấp thương mại sử dụng cho bộ thu Front-end thường dựa trên công nghệ GaAs. Tuy nhiên, để đáp ứng thách thức về độ tuyến tính cao, hệ số nhiễu thấp, và độ sống sót cao, dường như cần một công nghệ bán dẫn mới và các kĩ thuật thiết kế mới cho LNA, đó là GaN.
Đặc tính của cấu trúc dị thể AlGaN/GaN làm cho GaN HEMT đặc biệt phù hợp với tần số cao và công suất cao. Ngoài ra, đặc tính về hệ số nhiễu thấp cho mạch LNA cũng được chứng minh trong nhiều bài báo, được trình bày trong phần tình hình nghiên cứu ngoài nước. So sánh với GaAs HEMT, đặc tính của GaN có pham vi vùng cấm rộng cho phép điện áp đánh thủng cao, độ linh động điện tử cao, độ dẫn nhiệt tốt, cho phép GaN có thể đạt được băng thông và nhiễu tương đương với GaAs nhưng lại hoạt động ở điện áp cao hơn giúp đóng góp đáng kể về công suất ngõ ra và độ tuyến tính. Mạch khuếch đại nhiễu thấp sử dụng GaN HEMT sẽ cung cấp độ sống sót cao, tức là khả năng sống sót khi công suất ngõ vào mạch LNA tăng lên cao mà không cần các bộ bảo vệ ở phía ngõ vào, mang đến đầy hứa hẹn cho các T/R module.
Điều này sẽ làm giảm độ phức tạp của hệ thống và cuối cùng là chi phí của hệ thống. Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 5 Hình 1- 3 T/R module sử dụng công nghệ GaAs và GaN Các mạch LNA trong khối T/R module thường được thiết kế sử dụng công nghệ bán dẫn III-V như GaAs hoặc GaN do những ưu điểm của chúng về khả năng cung cấp, chịu đựng công suất lớn, băng thông rộng. Tuy nhiên, khi so sánh giữa GaAs và GaN, thì GaN có nhiều ưu thế thế vượt trội hơn về độ tuyến tính và khả năng chịu đựng công suất lớn. Trong thực tế, mạch LNA sử dụng công nghê GaAs cần phải có thêm mạch Limiter đạt phía trước nhằm bảo vệ mạch LNA khi xuất hiện tín hiệu công suất ngõ vào quá lớn bởi vì GaAs có độ chịu đựng công suất bão hòa thấp [3] [4].
Hơn thế, việc thêm bộ Limiter đó vào lại làm tăng hệ số nhiễu của bộ thu, trong khi đó sử dụng GaN thì không cần đạt bộ Limiter phía trước nhờ vào khả năng chịu công suất lớn, mà vẫn đạt được hệ số nhiễu tốt cho bộ thu. Từ những yêu cầu trên, đề tài luận văn tập trung vào nghiên cứu và thiết kế vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz sử dụng công nghệ 250 nm GaN.2 Tổng quan đề tài 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam cũng có những nghiên cứu về vi mạch khuếch đại cao tần nhưng còn rất hạn chế. Một số tài liệu hiếm hoi tìm được là bài báo [5]“Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại siêu cao tần tạp âm thấy (LNA) tại tần số 9 GHz dùng cho máy thu RADAR” được đăng trên tạp chí Khoa học Công nghệ của Việt Nam. Bài báo chỉ dừng lại ở việc thiết kế một mạch khuếch đại nhiễu thấp ở băng tần 9 GHz, hoạt động ở tần số 9 GHz của băng tần X (từ 8 GHz đến 12 GHz) có khả năng đáp ứng các yêu cầu sử Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 6 dụng trong máy thu radar với hệ số khuếch đại: > 10dB, hệ số tạp âm < 0,8 và hệ số phản xạ lối vào thấp hơn -20dB.
Mạch thiết kế sử dụng SPF-3043, là một transistor trường pHEMT GaAs, được sử dụng khá phổ biến trong các thiết kế LNA do giá thành rẻ nhưng hiệu suất và hệ số khuếch đại cao, với tần số có khả năng mở rộng lên đến 10 GHz. Hình 1- 4 Mạch khuếch đại nhiễu thấp HMIC băng tần X Có thể thầy rằng, bài báo trên chỉ là mạch tích hợp cao tần lai (hybrid microwave intergrated circuit - HMIC) bao gồm những bóng bán dẫn ở dạng mạch tích hợp kết hợp với các đường đây vi dải trên bảng mạch để thiết kế được mạch khuếch đại cao tần thông qua các đường dây hàn kết nối (bonding wire). Còn đối với thiết kế mạch Monolithic microwave integrated circuit-MMIC thì tuy giống nhau về nguyên lí cao tần nhưng rất khác nhau về cách hiện thực layout và khó khăn hơn rất nhiều. Tại hội nghị quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (REV-ECIT2021), có bài bài trình bày về thiết kế mạch LNA MMIC băng tần X:” Nghiên cứu và thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng công nghệ MMIC dùng cho radar băng X” của tác giả Nguyễn Xuân Ngọc, Nguyễn Huy Hoàng, Lương Duy Mạnh thuộc khoa Vô tuyến Điện tử-Học Viện Kỹ thuật Quân sự [6].
Bài báo này khác với bài trên ở chỗ là thiết kế mạch hoàn toàn dùng MMIC, tức là các transistors và các mạch phối hợp trở kháng đều được thiết kế trên chip, đòi hỏi sự phức tạp hơn. Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 7 Bài báo trình bày mạch LNA MMIC dùng công nghệ 250nm GaN với độ khuếch đại 25dB, hệ số nhiễu 1dB tại tần số 9-11GHz. Tuy nhiên, kết quả trên bài báo là mô phỏng và chưa được thấy kế quả đo đạc kiểm chứng. Bên cạnh đó, cũng chưa có nghiên cứu nào về các mạch khuếch đại băng thông rộng để đáp ứng nhu cầu.
Hiện nay, việc thiết kế và chế tạo các mạch tích hợp siêu cao tần trong nước phải đối mặt với nhiều khó khăn, thiếu thốn về linh kiện, thiết bị đo, nguồn nhân lực có kinh nghiệm. Đây là trở ngại cho việc nắm bắt các công nghệ thiết kế mới trong thiết kế vi mạch tích hợp siêu cao tần. Sự phát triển của các thiết bị thu phát không dây hoạt động ở tần số cao, tốc độ nhanh đang là xu thế chung của công nghệ thế giới. Nhu cầu về các hệ thông Radar quân sự, dân sự, thiết bị đo dân dụng đang là như cầu cấp thiết của Việt Nam hiện nay.
Việc đào sâu nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế MMIC siêu cao tần, làm chủ quy trình thiết kế không những giúp giải quyết bài toán nhu cầu mà còn là cơ sở, tiền đề cho việc phát triển Ngành Công nghiệp Vi mạch mới mẻ ở Việt Nam.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới, rất nhiều công trình nghiên cứu về các mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng, được tổng hợp lại trong bảng 1-1. Bảng 1- 1 Tổng hợp các bài báo mạch khuếch đại nhiễu thấp băng rộng [8]- [9]- [10]- [11]- [7]- [12]- Journal Letter Journal Journal Author/chip Journal conf Q1- Q1- Q1- Q4- Q1-2019 -2020 2018 2010 2013 2014 0.25 um Technology um um um GaAs GaN GaN GaAs GaN GaAs Freq 0.3 198 184 133 60 166 Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 8 (%) S21 (dB) 27.4 Bên cạnh các công trình nghiên cứu, các chip được thương mại hóa trên thế giới cũng được tổng hợp lại, ở bảng 1-2. Bảng 1- 2 Tổng hợp các chip thương mại băng thông rộng từ các công ty thiết kế MMIC uy tín trên thị trường TGA2227 CMD240 HCM460 CMD316 CMD264 Author/chip Qorvo Qorvo AD Qorvo Qorvo Technology GaN GaAs GaN GaN GaN Freq 2-22 0.5 25-30 Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 9 Flatness 3 2 3 3.3 19 12-14 15 10 Large (dBm) Signal OIP3 26.35 Từ các bảng số liệu trên cho thấy, thế giới có nhiều công trình nghiên cứu và các chip thương mại về LNA băng thông rộng trải dài từ băng S, C, L, X, Ku để phục vụ các nhu cầu thực tế trên.3 Mục tiêu đề tài Từ việc khảo sát nhu cầu thực tiễn về mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước dựa trên các bài báo khoa học, cũng như khảo sát các chip thương mại thực tế từ các công ti hàng đầu về MMIC, đề tài đặt ra mục tiêu thiết kế như bảng 1-3. Về tần số, mạch sẽ được thiết kế ở băng tần 6-18 GHz để phục vụ cho các ứng dụng đa mục đích, đa chức năng như trong các hệ thống thông tin vệ tinh và radar.
Thông thường độ lợi của mạch LNA sẽ rơi vào khoảng 15dB đến 30dB, vì thế mạch này đặt ra mục tiêu thiết kế độ lợi 25 dB. Độ flatness cần đạt được là 3dB ứng với băng thông 3dB. Các thông số S11, S22 cần tối thiểu là 10dB. Vì LNA hoạt động trong điều kiện nhiều can nhiễu nên cần độ tuyến tính cao, do đó dựa cào tham khảo các bài báo khoa Nguyễn Nhựt Nam CHƯƠNG 1 10 học thì độ tuyến tính đặt ra là OP1dB là 15dB và OIP3 là 20dB.
Công suất tiêu thụ cũng cần nhỏ, sau khi so sánh với các bài báo thì đặt ra thiết kế LNA phải có công suất tiêu thụ bé hơn 500mW để có thể so sánh với các bài báo hiện có. Do đó, dòng tiêu thụ cần bé hơn 50mA với điện áp cung cấp là 10V. Diện tích chip đặt ra ban đầu 2.49 hoặc bé hơn vì đây là diện tích chip tham khảo từ chip TGA2227 trong bảng so sánh 2-1 ở trên đã đạt được kết quả tốt và cũng sử dụng công nghệ GaN. Bảng 1- 3 Mục tiêu thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz Mục tiêu thiết kế Technology 250 nm GaN Freq (GHz) 6-18 Bandwidth FBW (%) 100 S21 (dB) 25 Flatness (dB) 3 Small Signal S11 (dB) 10 S22 (dB) 10 NF (dB) <2.