Chương 1 giới thiệu khái quát bối cảnh và động lực để lựa chọn đề tài. Chương 2 trình bày lý thuyết cơ bản, nâng cao về thiết kế mạch công suất băng thông rộng. Chương 3 trình bày về quá trình thiết kế, chế tạo và đo đạc mạch khuếch công suất băng thông rộng từ 6 GHz đến 18 GHz. Chương 4 trình bày kết luận, đánh giá kết quả đạt được, hướng phát triển của đề tài.
Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 7 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VI MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 2.1 Giới thiệu chung Mạch khuếch đại công suất là thành phần tiêu thụ công suất chính của các hệ thống thông tin hoặc là hệ thống ra-đar. Do đó, nó cũng chính là thành phần ảnh hưởng đến công suất tiêu tán của toàn hệ thống. Vậy nên để hệ thống có hiệu suất tốt thì mạch khuếch đại công suất thành phần bắt buộc có hiệu suất tốt. Mạch khuếch đại công suất được sử dụng để tăng cường tín hiệu lên một mức công suất đầu ra mong muốn.
Thiết kế một mạch khuếch đại công suất đòi hỏi xem xét đồng thời nhiều thông số kỹ thuật khác nhau. Thách thức chính ở đây là đạt được hiệu suất và công suất cao, băng thông rộng và độ lợi lớn. Những thông số này thường được yêu cầu trong hầu hết các hệ thống hiện đại. Điều này đòi hỏi xem xét cẩn thận về sự đánh đổi giữa các thông số này vì cải thiện bất kỳ thông số nào trong số này thường dẫn đến sự thay đổi đến các thông số khác.2 Phân lớp hoạt động Thông thường mạch khuếch đại công suất được phân lớp dựa trên lớp hoạt động của chúng.
Trong thực tế, những thuật ngữ chỉ các lớp hoạt động được phân theo các đặc điểm hoạt động khác nhau, ví dụ như: dựa theo việc lựa chọn điểm phân cực (lớp A, AB, B, C), theo cấu trúc của mạch phối hợp trở kháng (lớp F…), hoặc dựa vào điều kiện hoạt động của linh kiện chủ động (lớp E, lớp S…). Trong phần này, các lớp hoạt động dựa theo điện áp phân cực là lớp A, AB, B, C được trình bày. Giả sử tín hiệu ngõ vào là tín hiệu hình sine, lớp hoạt động của mạch khuếch đại công suất được xác định bằng thời gian mà transistor dẫn dòng điện, thời gian này còn được miêu tả như là góc dẫn, với góc dẫn từ 0 đến 360° trong lúc transistor dẫn dòng.1 cho chúng ta thấy giản đồ điện áp cho mạch khuếch đại với điểm phân cực cực gate, dạng sóng của dòng điện cũng như điện áp. Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 8 Hình 2.1 Giản đồ điện áp và dạng sóng của mạch khuếch đại lớp A, B, AB, C.
Mạch khuếch công suất lớp A có các transistor được phân cực với dòng điện bằng một nửa 𝐼𝐼𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 và dòng điện ngõ ra lúc này được khuếch đại từ toàn bộ chu kỳ của dòng điện ngõ vào. Do đó, transistor hoạt động trong vùng tuyến tính trên đặc tuyến tải của chính nó, dạng sóng ngõ ra hoàn toàn giống với ngõ vào. Vậy nên mạch khuếch đại lớp A có độ tuyến tính cao, tuy nhiên do được phân cực ở tâm của đặc tuyến tải nên mạch khuếch đại sẽ có công suất tiêu tán cao, làm giảm hiệu suất sử dụng mạch. Hiệu suất cao nhất có thể đạt được là 50%.
Với mạch khuếch đại công suất lớp B, lúc này transistor được phân cực tại điểm nghẽn và lúc này dòng ngõ ra sẽ đi ra nửa chu kỳ dương của tín hiệu ngõ vào. Nếu không có tín hiệu ngõ vào, thì dòng điện cực D bằng không và lúc này mạch khuếch đại không tiêu thụ điện năng DC, điều này là lợi thế rất lớn cho mạch khuếch đại lớp B so với lớp A, hiệu suất cao nhất đại được là 78.5% và vẫn đạt được cùng mức công suất ngõ ra. Tuy nhiên, độ lợi sẽ giảm đi 6 dB vì cần phải có điện áp lớn hơn 2 lần để đạt được cùng dòng điện. Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 9 Mạch khuếch đại được phân cực với dòng điện ở cực D lớn hơn 0 (dòng điện của mạch khuếch đại công suất lớp B) và nhỏ hơn dòng điện của mạch khuếch đại lớp B được gọi là mạch khuếch đại công suất lớp AB.
Với mạch khuếch đại công suất lớp AB, thì dòng điện ngõ ra được dẫn với góc từ 180° đến 360°, lúc này độ lợi và hiệu suất nằm trong khoảng từ lớp A đến lớp B. Tuy nghiên, công suất ở hài bậc cơ bản của lớp AB đạt được là cao hơn hai lớp trên. Đặc tính này được miêu tả ở Hình 2.2, ta có thể thấy rằng với góc dẫn từ 180° đến 360°, công suất cực đại ngõ ra được chuẩn hóa lớn hơn 1, đỉnh công suất bằng 1. Công suất cực đại tại hài cơ bản theo góc dẫn.
Mạch khuếch đại công suất lớp C được phân cực để hoạt động với góc dẫn nhỏ hơn 180° và hoạt động với mạch cộng hưởng để đạt được toàn bộ chu kỳ tại tần số cộng hưởng.1 cho thấy rằng mạch khuếch đại lớp này có thể đạt được hiệu suất 100% với góc dẫn bằng 0, tín hiệu ngõ ra gần như 0. Vậy nên có thể thấy rằng, đây là việc cân bằng giữa hiệu suất và công suất ngõ ra. Thêm vào đó, mạch khuếch đại công suất lớp C cực kỳ phi tuyến do phân cực với điện áp thấp hơn điện áp ngưỡng, tại điện áp này thì nó nhiều hài tạo ra hơn lớp B. Như được biểu diễn ở Hình 2.1, tại góc dẫn càng thấp thì dòng điện cực D có nhiều hài không mong muốn hơn.
Tuy Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 10 nhiên, mạch cộng hưởng có thể loại bỏ được hài khác, giữ lại hài cơ bản ở ngõ ra. Mặc dù có thể đạt được hiệu suất cao, nhưng do giảm công suất tại hài cơ bản, thế nên mạch khuếch đại công suất lớp C là kiến trúc không phổ biến, khi mà các mạch khuếch đại công suất dạng đóng ngắt vẫn được hiệu suất cao mà công suất ở hài cơ bản vẫn cao. Bảng 2-1 là bảng tổng kết đặc tính của các phân lớp hoạt động theo góc dẫn. Bảng 2-1 Đặc tính của phân lớp hoạt động theo góc dẫn.
Lớp Góc dẫn Điểm phân Hiệu suất cao Độ lợi Tuyến Công suất cực nhất tính ngõ ra (chuẩn hóa) A 360° Điện cao 50% Cao Tốt 1 hơn VT AB 360°-180° 50%-78.5% Thấp Không tốt 1 C 180°-0° Điện cao 78.3 Load-pull Với các thiết bị hoạt động ở vùng công suất lớn, tức là công suất tín hiệu được cấp ở ngõ vào và ngõ ra lớn, các linh kiện phi tuyến (diode, transistor …) đang hoạt động ở gần vùng phi tuyến (điểm nén 1dB). Do đó, việc thiết kế các mạch khuếch đại trong trường hợp này được tiến hành ở tín hiệu lớn, quy trình tiêu chuẩn để xác định 𝛤𝛤𝐿𝐿,𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 của một thiết bị hoạt động là load-pull (LP). LP liên quan đến việc thay đổi trở Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 11 kháng tải cho một device under test (DUT) và đo các thông số như công suất đầu ra, độ lợi và PAE theo sự thay đổi của tải cho DUT [11]. Các thông số đặc trưng đó sẽ được biểu diễn thông qua sự thay đổi của tải, thông thường kết quả sẽ được biểu diễn qua các vòng trên đồ thị Smith.
Trong phương pháp LP cơ bản, các hệ thống load pull bao gồm một nguồn tín hiệu được sử dụng để tạo ra một tín hiệu ngõ vào, một hệ thống điều chỉnh trở kháng ở ngõ ra DUT để thay đổi trở kháng ngõ vào của tải, và một máy đo công suất để đo công suất ngõ ra. Contour công suất ngõ ra của transistor 8x100 𝝁𝝁𝝁𝝁 tại tần số 6 GHz, 12GHz và 18 GHz phụ thuộc vào trở kháng tải 𝜞𝜞𝑳𝑳. Do đó, các contour của công suất ngõ ra có thể được vẽ trên biểu đồ Smith, như được thể hiện trong Hình 2. Do tụ 𝐶𝐶𝑑𝑑𝑑𝑑 tải tối ưu Γ𝐿𝐿,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 di chuyển theo quỹ đạo màu xanh lá với tần số tăng lên.
Điều này làm giới hạn băng thông của mạch phối hợp trở kháng. Giới hạn này sẽ được thảo luôn theo định lý Bode-Fano ở mục 2. Đối với việc đặc tính các transistor cho các mạch khuếch đại công suất cao, LP chủ yếu được sử dụng để tìm Γ𝐿𝐿,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 của DUT nhằm đạt được PAE tối đa hoặc công suất ngõ ra cực đại. Trần Xuân Nhật CHƯƠNG 2 12 Nguyên nhân chính phải sử dụng các phép đo và đặc tính dựa trên load-pull của các transistor công suất và tần số cao.
Thiết kế mạch khuếch đại tần số cao đòi hỏi các phép đo chính xác của các linh kiện thụ động cũng như chủ động. Các linh kiện thụ động là tuyến tính và do đó có thể được xác định hoàn toàn thông qua các thông số S phụ thuộc vào tần số [12]. Tuy nhiên, các đối với các linh kiện chủ động như transistor hoạt động trong vùng phi tuyến và không thể xác định chính xác thông qua các thông số S. Ví dụ, dòng và điện áp ngõ ra có mối quan hệ phi tuyến đối với linh kiện chủ động.
Sự phụ thuộc phi tuyến này dẫn đến các thành phần tần số không mong muốn như hài bậc cao hoặc là sái dạng xuyên điều chế. Trong thiết kế của các mạch PAs, trở kháng tải và nguồn ở ngõ vào và ngõ ra rất quan trọng, vì chúng quyết định đến hiệu suất, công suất và độ lợi của mạch khuếch đại công suất. Vì lý do này, việc đánh giá trở kháng tải và nguồn đối với transistor trong quá trình thiết kế PA là rất quan trọng. Lựa chọn đúng trở kháng giúp tối ưu hóa hiệu suất của PAs trong các thông số, chẳng hạn như công suất đầu ra, hiệu suất khuếch đại công suất và độ lợi.
Các hệ thống load-pull cho phép xác định nhanh chóng, chính xác các thông số kỹ thuật của PAs, vì chúng cho phép thiết đặt chính xác và kiểm soát các trở kháng tải và nguồn. Ngoài ra, các hệ thống này cho phép đo sự ảnh hưởng của hài bậc cao đôi transistor, nhằm kiểm tra tính tuyến tính của các mạch khuếch đại dưới các điều kiện tải biến đổi. Trong nhiều ứng dụng, các điều kiện tải ở hài bậc cao cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch như đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm. Một ứng dụng quan trọng khác của các hệ thống là trong việc tạo ra model các linh kiện chủ động nhằm sử dụng trong các nền tảng CAD để thiết kế, mô phỏng các mạch được sử dụng phi tuyến.
Điều này rất quan trọng cho việc thiết kế mạch PA đúng từ những lần thiết kế đầu tiên.
