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. Biên độ các tín hiệu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu nhận được thường rất nhỏ. 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.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.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]. 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 bên trong của bộ thiết kế.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. Để hiểu rõ tầm quan trọng của đại lượng, ta xem xét một mạng tạp âm 2 của (tuyến tính) lối vào gồm có nguồn dẫn nạp Ys và nguồn dòng tạp âm is.
Nếu chỉ quan tâm đến tạp âm tại lối vào và ra, thì không cần thiết phân tích quá kỹ nguồn tạp âm gây rra bên trong mạng hai cửa. Tuy nhiên các nguồn gây nhiễu này có thể biểu diễn đơn giản bằng một cặp nguồn nhiễu ngoài: nguồn thế và dòng. Vì vậy ta có thể đánh giá ảnh 13 hưởng của dẫn nạp nguồn vào tới nhiễu của hế thống. Kết quả là có thể xác định được tiêu chuẩn thiết kế thỏa mãn hiệu năng nhiễu lý tưởng.
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 1.2, 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. Một phương pháp 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 lỗi vào.Với cùng hằng số tỷ 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.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.
Trường hợp đặc biệt khi hệ số tương quan bằng 0, xuất hiện sự xếp chồng các công suất riêng rẽ. Ví dụ, nếu công suất tạp âm 14 của nguồn và của mạng hai cửa là không tương quan thì biểu thức của hệ số tạp âm có thể biểu diễn: i 2 | in Yses |2 F (1.2) i 2s Cần chú ý, khi 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) sẽ không đúng trong trường hợp hai cổng phát không tương quan với nhau. Để thiết lập tương quan en và in, in là tổng của hai thành phần: i n = ic + iu (1.3) Trong đó: i c liên quan tới en, i n không liên quan. Khi ic tương quan en, nó được coi là tỉ lệ với en theo hệ số: Ic = Ycen (1.4) hệ số tạp âm trở thành: i 2 s | iu (Yc Ys)en |2 i 2 u | Yc Ys |2 e2 s F 1 (1.5) i 2s i 2s Phương trình (1.5) gồm 3 nguồn tạp âm tự do, mỗi nguồn có thể được coi là ồn nhiệt sinh ra bởi một điện trở hoăc điện dẫn tương đương: e2 n Rn (1.8) 4kTf Sử dụng những biến đổi tương nên phương trình có hệ số tạp âm hoàn toàn có thể biễu diễn theo dẫn nạp và trở kháng: 15 Gu | Yc Ys | 2 Rn Gu [(Gc Gs ) 2 ( Bc Bs ) 2 ]Rn F 1 1 (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.
Lấy đạo hàm bậc một đối với nguồn dẫn nạp rồi cho giá trị bằng 0, thu được: Bs=-Bc =Bopt (1.10) Gu Gs G2 c Gopt (1.11) Rn Từ đó, để cực tiểu hệ số tạp âm, giá trị nguồn điện nạp cần bằng với nghịch đảo cửa 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 này được suy ra trực tiếp khi thay thế (1.9) Gu Fmin 1 2Rn [Gopt Gc ] 1 2 Rn [ Gc G c ] (1.12) Rn Ngoài ra còn có thể biểu diễn hệ số tạp âm qua Fmin và nguồn dẫn nạp: Rn F Fmin [(Gs Gopt ) 2 ( Bs Bopt )2 ] (1.13) Gs 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. Kết quả là nếu tối ưu về tạp âm thì phải chịu thiệt về hệ số khuếch đại và ngược lại.6 Hệ số tạp âm và nhiệt độ Ngoài hệ số ồn, hai tham số đặc trưng cho các linh kiện điện tử thường được đề cập trong giáo trình đó là hệ số tạp âm tính theo decibel (dB) và nhiệt độ tác động lên tạp âm của linh kiện đó.239 359 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. 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 lệnh 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 như hệ số khuếch đại bị suy giảm nhanh chóng … 17 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 2qI DC (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 có thể bỏ qua các 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 (không thể triệt tiêu được trong các thiết kế khuếch đại tạp âm thấp), còn có một nguồn tạo ồn nhiệt là điện trở base, r b.
Loại ồ này gây bởi chuỗi nuồn thế có mật độ trung binhg 4kTrb. Với công nghệ hiện nay, thì ồn nhiệt linh kiện bán dẫn thường lớn hơn nhiều so với tạp âm gây bởi emitter hay base, do vậy có thể bỏ qua. Giá trị r b 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. 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.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 290 oK) (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.