NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ VI MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP BĂNG THÔNG RỘNG 6-18 GHz

Luận văn thạc sĩ về thiết kế vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz. Nghiên cứu kỹ thuật và ứng dụng trong hệ thống Radar AESA.

• Tác giả: Nguyễn Nhựt Nam
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Vi Mạch Khuếch Đại Nhiễu Thấp Băng Thông Rộng 6-18 GHz
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Vi Mạch LNA Băng Thông Rộng 6 18 GHz

Các hệ thống Radar mảng quét điện tử chủ động (AESA) đang dần thay thế các hệ thống Radar mảng thụ động PESA và hệ thống Radar quét cơ học truyền thống. Đặc biệt, trong các ứng dụng quốc phòng và hàng không vũ trụ hiện đại, các radar dân sự và quân sự, cho các ứng dụng trên mặt đất, hải quân, điện tử hàng không và không gian. Các hệ thống Phased-Array radar dựa trên AESA bao gồm số lượng lớn các mô-đun thu phát T/R module (Transmit/Receive module). Mỗi T/R module kết nối với một ăng-ten, được điều khiển bằng máy tính, các chùm sóng vô tuyến có thể được điều khiển điện tử để chỉ theo các hướng khác nhau mà không cần di chuyển ăng-ten. Nhờ vào việc sử dụng nhiều T/R module, AESA có thể phát ra nhiều chùm sóng vô tuyến ở nhiều tần số khác nhau, trên một dãi băng thông rộng, khiến cho chúng khó bị kẻ địch phát hiện hơn. Điều này giúp cho phép các tàu và máy bay quốc phòng có thể phát ra tín hiệu radar mạnh hơn. Các hệ thống AESA có khả năng phát ra tín hiệu radar mạnh hơn.

1.1. Tầm quan trọng của LNA trong hệ thống AESA

Trong các hệ thống AESA, vi mạch khuếch đại nhiễu thấp (LNA) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao độ nhạy của hệ thống thu. Một LNA tốt sẽ giúp phát hiện tín hiệu yếu, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng radar. LNA cần có hệ số nhiễu thấp và độ lợi đủ lớn để đảm bảo tín hiệu thu được có chất lượng tốt nhất. Tài liệu gốc nhấn mạnh sự phát triển của hệ thống Radar AESA, cho thấy nhu cầu thiết kế LNA hiệu suất cao là cấp thiết.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của LNA băng thông rộng 6 18 GHz

LNA băng thông rộng 6-18 GHz có nhiều ứng dụng quan trọng trong các hệ thống radar, thông tin liên lạc và EW (Electronic Warfare). Băng thông rộng cho phép hệ thống hoạt động trên nhiều tần số, tăng khả năng linh hoạt và khả năng chống nhiễu. Ứng dụng trong các hệ thống radar đòi hỏi khả năng phát hiện mục tiêu ở xa và trong môi trường nhiễu. Ứng dụng EW cần khả năng chặn và gây nhiễu tín hiệu đối phương trên một dải tần rộng. Tài liệu gốc đề cập đến ứng dụng trong hệ thống radar AESA, một ứng dụng quan trọng.

II. Thách Thức Thiết Kế LNA Băng Thông Rộng 6 18 GHz

Thiết kế vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật. Việc đảm bảo hệ số nhiễu thấp, độ lợi đủ lớn và tính ổn định trên một dải tần rộng là rất khó khăn. Ngoài ra, cần phải kiểm soát các thông số như điểm nén 1dB (1dB Compression Point) và S-Parameters để đảm bảo hiệu suất của mạch. Theo luận văn, sự khác biệt giữa mô phỏng và đo đạc sẽ luôn luôn xuất hiện trong thực tế với mức độ tùy thuộc vào khả năng chính xác của mô phỏng trường điện từ EM, độ tin cậy của PDK, chất lượng của bonding wire, package,.

2.1. Khó khăn trong việc duy trì hệ số nhiễu thấp

Duy trì hệ số nhiễu thấp trên một dải tần rộng đòi hỏi phải sử dụng các kỹ thuật thiết kế đặc biệt. Các yếu tố như nhiễu nhiệt, nhiễu từ các linh kiện thụ động và ảnh hưởng của các tham số ký sinh cần được xem xét kỹ lưỡng. Cần tối ưu hóa các thông số của transistor và các linh kiện khác để đạt được hệ số nhiễu thấp nhất có thể.

2.2. Vấn đề ổn định mạch trong thiết kế LNA băng thông rộng

Tính ổn định là một yếu tố quan trọng trong thiết kế LNA băng thông rộng. Mạch có thể trở nên không ổn định và dao động nếu không được thiết kế cẩn thận. Các kỹ thuật ổn định mạch như sử dụng điện trở hồi tiếp và các mạch triệt tiêu dao động cần được áp dụng để đảm bảo mạch hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

2.3. Ảnh hưởng của công nghệ đến hiệu suất LNA 6 18 GHz

Việc lựa chọn công nghệ CMOS, GaN hoặc GaAs ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của LNA. Mỗi công nghệ có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Công nghệ GaN thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất cao, trong khi CMOS có ưu điểm về chi phí thấp và tích hợp dễ dàng. GaAs cung cấp hiệu suất tốt ở tần số cao. Luận văn gốc đề cập đến việc sử dụng công nghệ GaN để cải thiện khả năng sống sót của LNA.

III. Phương Pháp Mở Rộng Băng Thông LNA 6 18 GHz Hiệu Quả

Để đạt được băng thông rộng 6-18 GHz cho vi mạch khuếch đại nhiễu thấp, cần áp dụng các phương pháp thiết kế đặc biệt. Các kỹ thuật như Inductive Source Degeneration, Resistive Feedback và Dual Feedback thường được sử dụng để mở rộng băng thông và cải thiện các thông số khác của mạch. Theo tài liệu gốc, các kĩ thuật thiết kế như Inductive Source Degeneration, Resistive Feedback, Dual Feedback và kĩ thuật cuộn cảm bù độ lợi (Gain Compensation Technique) được trình bày từ cơ sở lí thuyết đến thiết kế, mô phỏng và đo đạc.

3.1. Sử dụng kỹ thuật Inductive Source Degeneration

Kỹ thuật Inductive Source Degeneration sử dụng một cuộn cảm ở cực nguồn của transistor để cải thiện trở kháng đầu vào và mở rộng băng thông. Việc lựa chọn giá trị cuộn cảm phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật này giúp cải thiện tính ổn định và giảm hệ số nhiễu của mạch. Luận văn gốc có đề cập đến kỹ thuật này trong chương 3.

3.2. Triển khai kỹ thuật Resistive Feedback cho LNA

Kỹ thuật Resistive Feedback sử dụng một điện trở hồi tiếp để cải thiện băng thông và độ tuyến tính của mạch. Điện trở hồi tiếp giúp giảm độ nhạy của mạch đối với các thay đổi của transistor. Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tốt nhất.

3.3. Kết hợp kỹ thuật Dual Feedback trong thiết kế LNA

Kỹ thuật Dual Feedback kết hợp cả hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dòng điện để cải thiện băng thông và độ tuyến tính của mạch. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát trở kháng đầu vào và đầu ra của mạch một cách độc lập. Luận văn gốc sử dụng kỹ thuật Dual Feedback để thiết kế LNA 6-18 GHz.

IV. Tối Ưu Hiệu Suất Vi Mạch LNA 6 18 GHz Cao Tần

Để đạt được hiệu suất cao cho vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz, cần tối ưu hóa nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố này bao gồm lựa chọn transistor, thiết kế mạch phối hợp trở kháng, và kiểm soát các hiệu ứng ký sinh. Luận văn gốc nhấn mạnh việc chọn trở kháng tải tối ưu cho tầng cuối để nâng cao độ tuyến tính.

4.1. Tối ưu hóa transistor và điểm phân cực

Việc lựa chọn transistor phù hợp và thiết lập điểm phân cực tối ưu là rất quan trọng để đạt được hệ số nhiễu thấp và độ lợi cao. Cần xem xét các thông số của transistor như hệ số khuếch đại dòng, điện dung ký sinh và điện trở đầu vào. Điểm phân cực cần được lựa chọn sao cho transistor hoạt động trong vùng tuyến tính và đạt được hiệu suất tốt nhất.

4.2. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho LNA

Mạch phối hợp trở kháng có vai trò quan trọng trong việc truyền tải công suất từ nguồn đến tải một cách hiệu quả. Cần thiết kế mạch phối hợp trở kháng sao cho trở kháng đầu vào và đầu ra của mạch phù hợp với trở kháng của nguồn và tải. Các cấu trúc mạch phối hợp trở kháng như mạch chữ L, mạch chữ T và mạch Pi thường được sử dụng. Luận văn gốc đề cập đến việc sử dụng cấu trúc band-pass cho mạch phối hợp trở kháng.

4.3. Giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng ký sinh

Các hiệu ứng ký sinh như điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch. Cần giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng này bằng cách sử dụng các kỹ thuật layout cẩn thận và lựa chọn các linh kiện có giá trị ký sinh thấp. Tài liệu gốc đề cập đến việc thiết kế layout để giảm ảnh hưởng ký sinh.

V. Nghiên Cứu Ứng Dụng LNA 6 18 GHz Trong Radar AESA

Nghiên cứu và ứng dụng vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz trong các hệ thống Radar AESA là một lĩnh vực quan trọng. LNA hiệu suất cao giúp cải thiện khả năng phát hiện mục tiêu và tăng cường hiệu suất của hệ thống radar. Các kỹ thuật thiết kế và tối ưu hóa LNA có thể được áp dụng để phát triển các hệ thống radar tiên tiến hơn. Luận văn gốc trình bày quá trình nghiên cứu về mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng và áp dụng vào thiết kế, đo đạc mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông 6-18 GHz, ứng dụng trong các các hệ thống Radar mảng quét điện tử chủ động AESA.

5.1. Đánh giá hiệu quả của LNA trong hệ thống Radar AESA

Hiệu quả của LNA trong hệ thống Radar AESA có thể được đánh giá thông qua các thông số như phạm vi phát hiện, độ phân giải và khả năng chống nhiễu. Cần thực hiện các thử nghiệm và mô phỏng để đánh giá hiệu suất của LNA trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế LNA và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống radar.

5.2. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế

Việc so sánh kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế là rất quan trọng để kiểm chứng tính chính xác của mô hình thiết kế. Cần thực hiện các phép đo trên mạch thực tế và so sánh với kết quả mô phỏng. Sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và đo đạc có thể được sử dụng để cải thiện mô hình và thiết kế. Luận văn gốc đề cập đến sự sai lệch giữa mô phỏng và đo đạc.

5.3. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của LNA

Các yếu tố như sai số chế tạo, ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm, và nhiễu từ môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của LNA. Cần phân tích các yếu tố này và áp dụng các biện pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của chúng. Các kỹ thuật hiệu chỉnh và bù trừ có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của mạch trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

VI. Xu Hướng Phát Triển Thiết Kế LNA 6 18 GHz Tương Lai

Thiết kế vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 6-18 GHz vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển tích cực. Các xu hướng phát triển trong tương lai bao gồm sử dụng các công nghệ mới, áp dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến, và tích hợp LNA với các thành phần khác trong hệ thống radar. Luận văn gốc đề xuất hướng phát triển tiếp theo sau khi thiết kế thành công mạch LNA 6-18 GHz.

6.1. Ứng dụng công nghệ GaN và các vật liệu mới

Sử dụng công nghệ GaN và các vật liệu mới khác có thể cải thiện hiệu suất của LNA. GaN có ưu điểm về điện áp đánh thủng cao, công suất lớn và tần số hoạt động cao. Các vật liệu mới như graphene và carbon nanotube cũng có tiềm năng lớn trong thiết kế LNA.

6.2. Phát triển các kỹ thuật thiết kế LNA tiên tiến

Các kỹ thuật thiết kế LNA tiên tiến như mạch thích ứng, mạch tự chỉnh và mạch có khả năng tự phục hồi có thể cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạch. Các kỹ thuật này cho phép mạch tự điều chỉnh các thông số để thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau.

6.3. Tích hợp LNA với các thành phần khác trong hệ thống

Tích hợp LNA với các thành phần khác trong hệ thống như bộ trộn, bộ lọc và bộ chuyển đổi tín hiệu có thể giảm kích thước và chi phí của hệ thống. Các kỹ thuật tích hợp như System-on-Chip (SoC) và System-in-Package (SiP) có thể được sử dụng để tích hợp LNA với các thành phần khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.