CHƯƠNG I: BỘ LỌC RF I. LÝ THUYẾT Câu 1: Nêu các bước thiết kế mạch điện tử hay mạch RF? Trả lời: Có 3 bước để thiết kế mạch điện tử Bước 1: Xây dựng bộ chỉ tiêu kỹ thuật, chọn sơ đồ, chọn linh kiện theo tính toán. Xác định khả năng cung cấp từ thị trường - Xây dựng bộ chỉ tiêu kỹ thuật: ở đây thuật ngữ dùng là xây dựng chứ không phải là chọn bộ chỉ tiêu kỹ thuật. Muốn có bộ chỉ tiêu kỹ thuật ta phải xây dựng.
Trước hết cần phải nắm được chỉ tiêu của cả hệ thống trước, từ chỉ tiêu đó ta mới tính tới các chỉ tiêu khác. Ta cần phải tìm nên xây dựng những chỉ tiêu gì, những tham số yêu cầu là gì để đáp ứng với bài toán đề ra. Khi xây dựng chỉ tiêu ta cần xem chỉ tiêu nào quan trọng hơn, ưu tiên hơn trong thiết kế. Ta cần xem khối cần thiết kế nằm ở đâu (ở đầu, ở giữa hay ở cuối thiết bị) và nếu có nhược điểm thì có giải pháp ở tầng sau để khắc phục không.
Nếu có thể khắc phục ở tầng sau thì ta ưu tiên chỉ tiêu nào trước, nếu khối ở tầng cuối (không có tầng sau) không thể khắc phục thì ta cần ưu tiên chỉ tiêu nào. Ví dụ: Khối KĐ tạp âm thấp LNA có 2 chỉ tiêu là hệ số tạp âm và hệ số KĐCS. Trong trường hợp tín hiệu nhỏ, nếu khối ở đầu hay ở giữa thì ta ưu tiên hệ số tạp âm (ở tầng sau có thể khuếch đại) còn nếu khối ở cuối thì ta sẽ ưu tiên hệ số KĐCS. Khối ở cuối thiết bị ta cần phải ưu tiên các chỉ tiêu kỹ thuật cho dải thông đạt mức tốt nhất.
- Từ chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu, chọn sơ đồ mạch điện, tính toán lý thuyết giá trị linh kiện trong mạch. Ví dụ: Khi thiết kế mạch khuếch đại, dải tần công tác là gì, hệ số khuếch đại bằng bao nhiêu, hiệu suất đạt được là bao nhiêu, méo phi tuyến như thế nào? Nếu xây dựng chỉ tiêu sai thì các bước tính toán sau này là vô nghĩa. Để xây dựng được chúng ta phải có kiến thức về hệ thống, có kiến thức về mạch điện mà chúng ta đã được học, ví dụ thiết kế mạch khuếch đại cần phải biết bộ khuếch đại ấy nằm trong hệ thống nào (Rada, tên lửa, thông tin di động 4G 5G, …) - Lựa chọn sơ đồ mạch điện, cân nhắc ưu điểm và nhược điểm của từng sơ đồ. Ví dụ: Yêu cầu thiết kế một bộ khuếch đại, có thể lựa chọn E chung, B chung, C chung… khuếch đại đơn, khuếch đại đẩy kéo, ghép nối nhiều bóng bán dẫn… chúng ta phải lựa chọn.
Giả sử đề bài yêu cầu hệ số khuếch đại lớn nhưng dải tần hoạt động ở tần số thấp chúng ta có thể lựa chọn sơ đồ E chung, nếu ở tần số cao có thể cân nhắc sử dụng sơ đồ B chung hay nếu vừa có hệ số khuếch đại lớn và vừa làm việc được ở tần số cao thì ta sử dụng sơ đồ Kascode. - Lựa chọn linh kiện tính toán. Page 1 of 60 Thiết kế mạch điện tử Võ Văn Toàn - TCĐT K56 Ví dụ: Ta nên dùng bóng bán dẫn trường hay bóng bán dẫn lưỡng cực. Nếu không yêu cầu công suất lớn có thể lựa chọn bóng bán dẫn lưỡng cực, nếu yêu cầu công suất lớn thì phải sử dụng bóng bán dẫn trường.
Ngoài ra việc lựa chọn linh kiện còn liên quan đến dải tần làm việc, sai số hệ thống của linh kiện ấy có đáp ứng được theo chỉ tiêu kỹ thuật đề ra không? Linh kiện ấy có chịu được công suất làm việc, nhiệt độ làm việc của thiết bị hay không? Có thể xây dựng, tính toán được giá trị linh kiện xong nhưng linh kiện ấy lại không có trên thị trường thì khi đó phải tính toán lại cho phù hợp với khả năng cung cấp của thị trường (Đổi sang giá trị có thật nhưng phải xem chỉ tiêu có nằm trong phạm vi an toàn không? Có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật không?) hoặc tính toán ra giá trị gần với giá trị nhà sản xuất cung cấp. Đó chính là xác định khả năng cung cấp linh kiện từ thị trường. Linh kiện có tham số không có trên thị trường thì ta có thể ghép nối chúng. Tuy nhiên ghép nối chỉ dùng ở mạch tần số thấp còn ở mạch tần số cao như RF ta hạn chế ghép nối các linh kiện vì ở tần số cao khi mắc các linh kiện lại với nhau sẽ xuất hiện các phần tử ký sinh ở mối hàn, gây ảnh hưởng tới chỉ tiêu mạch điện.
Tính toán linh kiện phải có độ dư, vì trong mạch thật ở ngoài sẽ có suy hao. Ở mạch cao tần, các mối hàn cũng có suy hao, vì vậy cần gọn, càng ít linh kiện càng tốt. Linh kiện đáp ứng tốt cũng cần xem giá thành, số lượng nhiều hay ít, phổ biến hay hiếm? Nếu hiếm hay không phổ biến khi hỏng linh kiện ấy sẽ không đáp ứng kịp thời, đặc biệt là trong trường hợp chiến tranh. Bước 2: Sử dụng công cụ mô phỏng (ADS, AWR, CST, HFSS, …), thực hiện mô phỏng mạch điện ở bước 1 trên 3 cấp độ: cấp độ mạch nguyên lý (Schematic), cấp độ trường điện từ (EM) và cấp độ đồng mô phỏng, kết hợp (co-simulation) kết hợp cấp độ mạch nguyên lý và cấp độ trường điện từ.
- Đánh giá kết quả mô phỏng, quyết định giá trị linh kiện và so sánh với chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu. Mô phỏng mục đích là để kiểm tra lại bước tính toán linh kiện, kiểm tra xem tính toán có đúng không, bởi vì chúng ta không thể đảm bảo kết quả tính toán là chính xác. Mô phỏng chỉ rút ngắn thời gian tính toán chứ không hoàn toàn làm tất cả. Phải tính tới sai số các linh kiện.
Ở mạch cao tần, cần quan tâm tới công suất, ma trận tán xạ. Việc đảo chiều linh kiện ở mạch cao tần cũng sẽ ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kỹ thuật. Mạch tần số thấp có thể không ảnh hưởng. - Tinh chỉnh mạch điện, tối ưu hóa tham số và so sánh với chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu.
Tinh chỉnh, tối đa hóa và xem chúng ta phải sử dụng linh kiện nào, khi chạy linh kiện thì phải chuẩn hóa linh kiện theo nhà sản xuất, tốn khá nhiều thời gian để tinh chỉnh, khi chuẩn hóa theo nhà sản xuất thì giá trị linh kiện rời rạc. Mô phỏng thì cần phải có thư viện thiết kế. Xây dựng thư viện cần dựa trên các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật. Đo các chỉ tiêu kỹ thuật, sau đó xây dựng hàm toán Page 2 of 60 Thiết kế mạch điện tử Võ Văn Toàn - TCĐT K56 học, mục đích để mô tả hoạt động của linh kiện.
Trong trường hợp không có thư viện sử dụng thì ta có thể sử dụng thư viện của các khác khác hoặc tự thiết kế. - Xuất layout, tối ưu hóa cấu trúc mạch điện. - Gửi đi chế tạo mạch điện, in mạch điện PCB. Bước 3: Lắp ráp mạch điện, đo kiểm các tham số, hiệu chỉnh và thực hiện tính toán (trong quá trình học không thực hiện) - Lắp ráp mạch điện, sau khi nhận được linh kiện, linh kiện bé nên khi hàn rất cẩn thận.
- Đo kiểm các tham số của mạch điện, so sánh kết quả đo với kết quả mô phỏng và tính toán lý thuyết. - Hiệu chỉnh mạch điện sao cho đạt được chỉ tiêu theo yêu cầu. - Thực hiện tính toán và thiết kế lại mạch điện trong trường hợp xấu nhất Câu 2: Khái niệm về bộ lọc RF? Nêu các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc RF? Trả lời: *Khái niệm Bộ lọc RF là một mạng 4 cực dùng để tách tín hiệu RF trong một dải tần đã cho theo đặc tính yêu cầu đề ra, tức là: nó có cấu trúc sao cho sóng trong một dải tần số mong muốn đi qua với suy giảm nhỏ và không cho phép sóng nằm ngoài dải này đi qua. Mạng 4 cực là mạng đặc trưng bởi các ma trận tán xạ.
Trong học phần này không nghiên cứu mạch dải mà chỉ nghiên cứu thiết kế trên phần tử tập trung L,C có tần số cao. Ở các mạch cao tần thì có các phần tử ký sinh và các phần tử này gây ảnh hưởng đến tần số làm việc. Khuếch đại công suất là kích năng lượng tín hiệu đến một mức yêu cầu. Đặc tính yêu cầu chính là chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc.
Bộ lọc phải có cấu trúc sao cho sóng trong một dải tần số mong muốn đi qua với suy giảm nhỏ nhất và không cho phép sóng nằm ngoài dải này đi qua. *Chỉ tiêu kỹ thuật chính bao gồm: - Dải tần công tác (được đặc trưng bởi tần số giới hạn): tần số giới hạn được tính tại giá trị modul hay giá trị tuyệt đối của hàm truyền đạt của bộ lọc giảm 3dB 1 tức là giảm một nửa công suất, giảm biên độ. √2 - Độ bằng phẳng trong dải thông: muốn nói đến sự thay đổi của đặc tuyến biên độ tần số trong dải thông của bộ lọc, độ mấp mô của nó, mong muốn dải thông có độ gợn nhỏ (càng phẳng càng tốt), nếu độ mấp mô càng lớn thì tín hiệu bị méo càng nhiều khi truyền qua bộ lọc. Trong dải thông, cần tính tới độ suy hao của bộ lọc.
Cần xem khối đó nằm ở vị trí nào? Chỉ tiêu suy hao ở vị trí đó có quan trọng không? Ví dụ khối đó nằm ở đầu bộ lọc thì suy hao không đáng kể vì ta có thể khuếch đại ở tầng sau. Còn nếu nằm ở cuối bộ lọc thì ưu tiên chỉ tiêu về giảm suy hao tín hiệu. Thông thường bộ lọc làm từ cơ khí hoặc bộ lọc có ống dẫn sóng. Vì suy hao trong các thiết bị cơ khí hay ống dẫn sóng là không đáng kể.
Mạch dải thì lại tổn Page 3 of 60 Thiết kế mạch điện tử Võ Văn Toàn - TCĐT K56 hao hơn so với ống dẫn sóng. Nếu như bộ lọc nằm sau KĐCS thì là bộ lọc cơ khí còn nếu nằm trước KĐCS thì là bộ lọc mạch dải. - Độ dốc ngoài dải thông: loại bỏ các thành phần tần số ngoài dải thông, độ dốc càng lớn thì tín hiệu ngoài dải thông càng bị suy hao nhiều (bộ lọc có chỉ tiêu kỹ thuật tốt). - Bậc của bộ lọc là số phần tử của bộ lọc.
Ví dụ số phần tử bộ lọc là 3 thì bậc của bộ lọc là bậc 3. Nếu bậc của bộ lọc càng lớn thì khi đó độ dốc càng lớn, bậc càng lớn đặc trưng lọc ngoài dải thông càng tốt.