Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số pptx

Với các máy phát hình công suất lớn, để đáp ứng được giá trị công suất lớn tử những mạch khuếch đại công suất cần sử dụng một hệ thống bộ cộng, chia trong máy.. KC.0L16 Phân tích, so s

E-

KC.01.16 - Phân tích, so sánh máy phái hình tương tự và máy phát hình số

MỤC LỤC

1 LỜI MỞ ĐẦU ‹. «-«-5- ssxssesee sosesesececeaeeners "¬~- "—

2 HỆ THÓNG MÁY PHÁT HÌNH TƯƠNG TỰ sasseacasasasacassenee sosesaeees 3

3.2 Khuếch đại cao tần -.

4 Nguồn và các bộ phận khác của máy phát hình số DVB-T

5 Các chỉ tiêu đánh giá máy phát hình số DVB-T

5.2 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) c che greg 15

TY lo 4 lc9s869 nh 16

5.5 Rung pha (PJ) vat nhiéu pha dao d6Ng Gi ceeceeccsccsssesescsessessecssessessessesneese 16

5.6 Đặc điểm xuất hiện các tin hiệu đỉnh trong điều chế DVB-T 17 5.7 Đặc tính tuyến tính của hệ thống máy phát, ccceecckeceereerecee 19 -

6 SO SÁNH MÁY PHÁT HÌNH SÓ VÀ MÁY PHÁT HÌNH TƯƠNG TỰ 20

6.1 So sánh về cấu tạo, tín hiệu phát và các phép đo máy phát 20

6.2 Quy trình sản xuất - s2 2121 111211 2112111211111111 1x crrree 21 r¡ ‹n 1 — ,ÔỎ 22

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO < 5= s< ssê e1 2, 22

4/106

KC0L16 Phân tích, so sảnh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

1 LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển về công nghệ trong lĩnh vực phát thanh, truyền hình

nói chung, công nghệ chế tạo máy phát hình đã có những tiến bộ vượt bậc Từ những máy phát hình sử dụng đèn điện tử, bán dẫn lưỡng cực, MOSFET đến nay

các máy phát hình được chế tạo đã sử đụng công nghệ bán dẫn LDMOS và IOT

(Inductive Output Tube) dam bảo khả năng đáp ứng công suất lớn, tối ưu hiệu suất

và đạt độ tuyến tính cao Mỗi hệ truyền hình tương tự khác nhau về tần số phát, độ

rộng kênh, tần số sóng mang phụ nhưng nhìn chung các modul trong máy phát

có chỉ tiêu kỹ thuật và chức năng như nhau

Công nghệ truyền hình số ra đời đã đem lại những ưu điểm nỗi bật như khả năng truyền tải nhiều chương trình phát thanh truyền hình trên một kênh truyền hình truyền thống, hỗ trợ khả năng thu di động và các loại hình dịch vụ khác trên

sóng truyền hình số mặt đất đã chứng minh được tính ưu việt của nó Cần thấy

rằng những ưu điểm có được là do bản chất của kỹ thuật điều chế nhưng để đạt

được điều này hệ thống máy phát số nói chung phải đảm bảo những yêu cầu cụ thể

về mặt kỹ thuật như độ én dinh và mức độ tuyến tính của các phần tử bên trong hệ thống máy phát

Sự khác nhau về bản chất của hai công nghệ phát hình đã có ảnh hưởng trực

tiếp đến việc lựa chọn công nghệ bán dẫn và tiêu chí thiết kế của các phần tử trong

phần khuếch đại cũng như truyền dẫn tín hiệu cao tần

Một máy phát hình nói chung bao gồm nhiều modul có chức năng nhiệm vụ độc lập Tuỳ thuộc vào thiết kế của các nhà sản xuất mà mỗi máy phát hình có kiểu thiết kế khác nhau nhưng nhìn chung một máy phát hình gồm những modul sau:

Điều chế tín hiệu: Thực hiện chức năng điều chế tín hiệu lên sóng mang cao

KC.0E16 Phân tích, so sảnh máy phát hình tương tự và máy phái hình số

Tiền khuếch đại (kích): Do tín hiệu cao tần có mức rất thấp nên tín hiệu này

được khuếch đại tới mức công suất đủ lớn trước khi qua các modul khuếch đại công suất Các mạch tiền khuếch đại được thiết kế hoạt động ở chế độ A nên có

hiệu suất không cao nhưng đảm bảo được độ tuyến tính rất cao

Khuếch đại cao tần: Thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu cao tân tới mức công suất danh định, các mạch khuếch đại này hoạt động ở chế độ AB để đảm bảo tối ưu được hiệu suất Các bộ cộng, chia công suất được sử dụng để ghép các

khối khuếch đại công suất có mức công suất thấp để đạt được mức công suất ra lớn

hơn Có rất nhiều thiết kế cộng, chia công suất khác nhau nhưng mỗi kiểu thiết kế

có những ưu, nhược điểm riêng nên chúng được sử dụng tuỳ theo yêu cầu cu thé

Nguồn một chiều: Thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành điện áp một chiều ổn định cung cấp cho các mạch khuếch đại

Bộ lọc: Bộ lọc của máy phát hình thực hiện nhiệm vụ lọc các thành phần tín

hiệu cao tần không mong muốn Các thành phần này sinh ra do đặc tính méo phi

tuyến của tầng khuếch đại công suất và gây ra can nhiễu cho các kênh lân cận

Hệ thống điều khiến, chỉ thị các tham số hoạt động của máy phát: Thực hiện

các chức năng điều khiển và giám sát tình trạng hoạt động của máy phát

2 HỆ THÓNG MÁY PHÁT HÌNH TƯƠNG TỰ

Trong lĩnh vực truyền hình tương tự có nhiều hệ truyền hình khác nhau Hệ

truyền hình tương tự được chọn cho Việt Nam là hệ Pal D/K với các đặc điểm như

KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

Máy phát hình, tiếng chung sẽ sử dụng chung hệ thống khuếch đại công suất

cho cả tín hiệu RF hình và tiếng

Máy phát hình tiếng độc lập sẽ sử dụng hai hệ thống khuếch đại riêng biệt cho hình và tiếng

Tuỳ thuộc cấu hình máy phát mà các bộ điều chế được thiết kế có một

đường tín hiệu RE cho cả tín hiệu hình và tín hiệu tiếng hoặc điều chế hình tiếng

độc lập trên hai đường RF khác nhau

Tín hiệu đầu vào bộ điều chế theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay gồm:

e Tin hiệu Video tổng hợp hệ PAL

e Tin hiéu Audio mono

KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

Bộ điều chế tương tự hình tiếng chung (Hình 1) tạo ra các dao động trung tần 38,9 MHz cho trung tan hình và 32,4 MHz cho trung tần tiếng Các dao động trung tần được sử dụng cho việc điều chế tín hiệu Video và tín hiệu Audio lên tần

số trung tần (IF) Mạch nâng tầng có nhiệm vụ dịch chuyển tín hiệu trung tần hình

và tín hiệu trung tần tiếng lên tần số kênh bằng cách trộn dao động LO với các tín hiệu trung tần này Sau quá trình nâng tần có một số tần số không mong muốn xuất

hiện (hài), các thành phần này có thể gây ảnh hưởng tới các kênh sóng lân cận và

trực tiếp gây tốn hao năng lượng của chính máy phát nên cần phải được loại bỏ

KC.01.16 Phân tịch, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

Các tần số này được khuếch đại va đưa tới anten phát để bức xạ Trong thực

tế, do đặc tính méo phi tuyến của bộ khuếch đại nên sẽ xuất hiện méo xuyên điều

chế giữa các tần số này và tạo ra các thành phan hài không mong muốn

Trên hình ảnh phổ tín hiệu truyền hình tương tự (Hình 2) ta có thé thay phổ của sóng mang hình (F1), sóng mang mẫu (F2), sóng mang tiếng (F3) và hai thành phần méo xuyên điều chế F4, F5 Hai thành phần méo này được sinh ra do hiện tượng xuyên điều chế giữa các sóng mang F1 với F2 và F1 với F3 Thực tế các

thành phần hài phát sinh do méo xuyên điều chế rất phức tạp nhưng trên hình ảnh không thể hiện hết do các thành phần hài này đã được loại bỏ bởi bộ lọc tại đầu ra

máy phát

2.2 Các loại bán dẫn được sử dụng

Tín hiệu RE sau bộ điều chế có mức trung bình dưới 1 mW, tín hiệu này cần

được khuếch đại tới mức công suất đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu về mức tín

hiệu đầu vào bộ khuếch đại công suất Các mạch tiền khuếch đại được thiết kế hoạt

động ở chế độ A để đảm bảo hệ số khuếch đại lớn và độ tuyến tính cao Hiện nay các máy phát hình tương tự sử-dụng chủ yếu bán dẫn MOSFET và LDMOS như

BLF278, BLF861, MRF151 cho tầng khuếch đại công suất Để đảm bảo hiệu

suất và độ tuyến tính hợp lý, các bộ khuếch đại công suất của máy phát hình được

thiết kế hoạt động ở chế độ AB Với các máy phát hình công suất lớn, để đáp ứng

được giá trị công suất lớn tử những mạch khuếch đại công suất cần sử dụng một hệ

thống bộ cộng, chia trong máy Có nhiều kiểu thiết kế bộ cộng, chia khác nhau phụ

thuộc vào giá trị công suất danh định của máy Riêng các máy phát hình tiếng riêng

can sử dụng một bộ cộng hình tiếng ở đầu ra máy phát (Diplexer)

KC.0L16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình số

Do chất lượng của các mạch khuếch đại công suất và bán dẫn khác nhau nên

chỉ tiêu tuyến tính của các bộ khuếch đại công suất không giống nhau và các thành phân hài sinh ra do hiện tượng méo xuyên điều chế cũng có sự khác biệt

Với một máy phát hình tương tự có chất lượng không cao sẽ xuất hiện sai lệch của các tham số quyết định trực tiếp đến chất lượng tín hiệu Video và Audio

Sự ảnh hưởng này có nguyên nhân do đặc tính phi tuyến của các phân tử tích cực

và sai lệch đo trễ tín hiệu của các phần tử thụ động tham gia vào đường truyền của

tín hiệu cao tân

2.3 Nguần và các hệ thông khác

Các máy phát hình hiện đại sử dụng nguồn xung để cung cấp điện áp DC

cho các mạch khuếch đại, ưu điểm của kiểu nguồn này là kích thước nhỏ gọn, dễ

điều khiển và có thể tích hợp trong modul khuếch đại công suất Các bộ nguồn được thiết kế để cung cấp điện áp D€ có giá trị tuỳ thuộc vào chủng loại bán dẫn được sử dụng Hệ thống làm mát chủ yếu là dùng quạt, với các máy phát công suất

lớn có thể sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng để giảm độ ôn

Ngoài các bộ phận như điều chế, nguồn, khuếch đại công suất, trong các

máy phát hình còn sử đụng hệ thống điều khiển, chỉ thị Hệ thống điều khiển chỉ

thị trong các máy phát hiện đại chủ yếu dùng vi xử lý với màn chỉ thị LCD (cảm

ứng hoặc không) Hệ thống điều khiển chỉ thị có chức năng giám sát tình trạng

hoạt động của máy phát và hiển thị tất cả các tham số điện áp, dòng điện, nhiệt độ

và công suất của máy phát

KC.0116 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình SỐ

2.4 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng máy phát hình tương tự

nghệ và Môi trường đã ban hành một bộ tiêu chuẩn TCVN 5831 Bộ tiêu chuẩn

này xác định khả năng đáp ứng các tham số cơ bản của một máy phát Bản chất của

Để đánh giá chất lượng của một máy phát hình tương tự Bộ Khoa học Công

các phép đo này dựa trên sự sai lệch của tín hiệu Video và Audio chuẩn

1 Độ sai lệch tân sô:

3 Khoảng cách tân số sóng mang hình tới tần số

9 Méo khuéch dai vi sai % +5

10 Méo pha vi sai dé +3

11 Độ lệch biên độ tín hiệu mâu so với tín hiệu chói % +10

KŒ.01.16 Phân tích, so sánh máy phái hình tương tự và máy phát hình số

21 Sai lệch đáp tuyến biên độ tân số âm tân từ 30

Hz dén 15000Hz

Tiêu chuẩn DVB-T đã được thiết kế cho các ứng dụng thu di động và cố định, hệ thống phát DVB-T sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao OFDM để

chuyển dữ liệu bao gồm: hình ảnh, âm thanh và các dịch vụ khác trên các sóng

mang trong băng thông 8§MHz Về cơ bản máy phát hình số DVB-T có cấu trúc

gần giống như máy phát hình tương tự

Điểm khác nhau chủ yếu và rất bản chất giữa 2 loại máy phát là kỹ thuật

điều chế, tận dụng năng lượng trong đải phổ 8MHz Do đó, yêu cầu về chỉ tiêu

tuyến tính cũng như độ én định của máy phát số mặt đất DVB-T trong chừng mực nào đó (cụ thể là khi cần phát nhiều chương trình) cao hơn máy phát hình tương tự

3.1 Bộ điều chế số theo tiêu chuẩn DVB-T

Khác với các bộ điều chế tương tự, tín hiệu vào của bộ điều chế số DVB-T là dòng tín hiệu số (gọi là dòng truyền tải-Transport Stream-TS) có vận tốc từ 4,98

Mbit/s dén 31,67 Mbit⁄s Dòng dữ liệu TS bao gồm các gói Video, Audio và các gói đữ liệu khác như teletext

Dữ liệu trên dòng TS sẽ được phân phối lên các sóng mang và như vậy một băng thông 8 MHz có khả năng truyền tải một lượng dữ liệu lớn Tuỳ thuộc vào

-10-KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình sỐ

kích thước FFT 2K hoặc 8K, trong toàn bộ băng thông 8 MHz sẽ có 1705 hoặc

6817 sóng mang trực giao nhau

Một số bộ điều chế có tích hợp modul tạo dao động nội LÔ và trộn tần để địch chuyên tín hiệu từ tần số trung tan 36,15 MHz lén tan sé cao tan

TS Mpeg _„»| năng || ngoài | *° ngoài Ƒ*| trong p> trong >| (Mapper)

lương

> Tỷ số lỗi điều chế (MER)

Hiện nay hầu hết các bộ điều chế số của các hãng trên thế giới đã tích hợp modul tạo dao động nội (LO), mạch nâng tần và modul khuếch đại cao tần có mức

ra đủ lớn (có thể tăng mức ra cao tần tới giá trị 0 đồm) Vì vậy các tham số phẩm

chất này cũng được sử dụng đề đánh giá phâm chất của một máy phát số mặt đất

DVB-T

-11-KC.01.16 - Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình số

Hình 4 Phố tín hiệu RF thực tế

Như đã giới thiệu ở trên, bản chất của điều chế số DVB-T là phương thức điều

chế đa sóng mang sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao có mã (COFDM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng

mang Từng sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luỗng đữ liệu có tốc độ bit cao Mỗi symbol được biểu

diễn theo biên độ và pha của sóng mang (điều chế QAM), nên hệ thống máy phát

phải có độ tuyến tính cao để duy trì tính trực giao và không làm sai lệch về biên độ

và pha của các sóng mang

3.2 Khuếch đại cao tần

Do đặc điểm của tín hiệu cao tần sau khi đã điều chế (gọi tắt là tín hiệu DVB-

T), nên chỉ tiêu tuyến tính của các mạch khuếch đại công suất trong máy phát hình

số DVB-T yêu cầu cao hơn so với máy phát hình tương tự Trong trường hợp hệ

-12-KC.0L16 Phân tịch, so sảnh máy phái hình tương tự và máy phát hình số

thống khuếch đại có méo lớn, các sóng mang sẽ có sai lệch về pha và biên độ Điều

này là nguyên nhân chính gây ra lỗi tại đầu ra hệ thống máy phát hình số DVB-T

Hình ảnh phổ để nhận biết méo của hệ thống là các thành phần bức xạ ngoài băng

Từ hình ảnh minh hoa phổ tín hiệu điều chế số DVB-T (Hình 5) ta có thé thấy các

sóng mang trực giao dầy đặc trong toàn bộ dải thông của kênh truyền dẫn (tại Việt

Nam, dải thông chon la 8MHz)

Hình 5 Hình ảnh mỉnh họa phố tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16

Trên hình ảnh minh hoạ của tín hiệu OFDM ta có thể thấy phổ tín hiệu

OFDM bao gồm nhiều sóng mang hình sin hợp thành nên sẽ có một giá trị tý số

công suất đỉnh/ công suất trung bình (PAR) nhất định và phụ thuộc vào độ tuyến

tính của các bộ khuếch đại Khi sử dụng một bộ khuếch đại công suất có hiệu suất

cao, méo phi tuyến nghiêm trọng sẽ gây ra những sai lệch về pha và biên độ của các sóng mang cao tần Điều này không chỉ làm giảm tỷ số lỗi bit (BER) và sinh

ra các thành phan hai tại những kênh lân cận do méo xuyên điều chế mà còn suy

KC.01.16- Phân tiéh, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

giảm tỷ số công suất đỉnh/ trên công suất trung bình (một trong những nguyên

nhân làm hỏng các phần tử khuếch đại)

Một trong những biện pháp để cải thiện chất lượng tuyến tính là sử dụng các

mạch hỏi tiếp để đặt các bộ khuếch đại cao tần làm việc tại vùng tuyến tính tối ưu nhưng biện pháp này là giảm hiệu suất của các bộ khuếch đại cao tần Vì vậy, khi

thiết kế các mạch khuếch đại cao tần trong may phat s6 DVB-T ngoài việc lựa

chọn chủng loại bán dẫn còn phải xem xét tới tỷ lệ giữa độ tuyến tính/ hiệu suất và

sử dụng phương pháp gây méo trước để bù lại đặc tính phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất

Trên thế giới hiện nay sử dụng chủ yếu bán dẫn LDMOS cho các ứng dụng phát số băng tần UHF có công suất vừa và nhỏ, với các máy phát công suất lớn thi

công nghệ được lựa chọn là công nghệ đèn cam khang ra (IOT=Inductive Output

Tube) Do đặc tính của các bán dẫn khác nhau về mức độ tuyến tính, nhiệt độ tiếp

giáp, chịu tín hiệu có đỉnh, điện áp và dòng điện cực đại nên có những loại bán

dẫn như MRF373A hoặc MRF372 (của Motorola) có khả năng hư hỏng rất cao,

nếu thiết kế của toàn bộ hệ thống không tối ưu Tuy nhiên khi triển khai thực tế các

máy phát số DVB-T bing tan VHF với bán dẫn MOSFET như BLF278 (của

Philips), MRF151 (của Motorola) chất lượng tín hiệu tại đầu ra máy phát vẫn đâm

bảo tiêu chuẩn phát sóng

4 Nguồn và các bộ phận khác của máy phát hình số DVB-T

Trong máy phát hình số nguồn và các bộ phận khác như hệ thống chỉ thị, điêu khiên và các mạch cộng chia công suât cũng có chức năng tương tự

-14-KC.01.16 - Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình số

5 Các chỉ tiêu đánh giá máy phát hình số DVB-T

Theo khuyến cáo về vẫn dé đo lường của tổ chức DVB-T có rất nhiều tham

số phản ánh chỉ tiêu chất lượng của phát hình số DVB-T Để xác định phẩm chất của một máy phát hình nói chung chỉ cần đánh giá thông qua những tham số sau:

3.1 Tỷ số lỗi điều chế (MER)

Tham số MER được sử dụng để biểu diễn phẩm chất của tín hiệu điều chế, MER bao gồm tất cả các loại lỗi do sai lệch của tín hiệu như ảnh hưởng của nhiễu, sai lệch mức và vị tri của các tín hiệu 1Q

Tar Modulation

get error + symbol

Transmitted

5.2 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong hệ thống số có ảnh hưởng tương tương đương như lỗi điều chế Các điểm tín hiệu lý tưởng trên giản đồ chòm sao sẽ mở

rộng thành các đám mây khi xuất hiện mức nhiễu lớn

5.3 Lỗi mục tiêu hệ thống (STE)

Lỗi mục tiêu hệ thông được nhận biết bằng khoảng cách của tâm các đám

mây trên giản đồ chòm sao so với vị trí lý tưởng của chúng Lỗi mục tiêu hệ thống

-15-KC0116 Phan tich, so sánh máy phát hình tương tự và máy phải hình số

biểu diễn sự suy giảm mức dự trữ chống nhiễu của hệ thông và méo do sai lệch -

biên độ, vị trí của các tín hiệu 1Q

i** point

Trong hé théng DVB-T, ngoai các sóng mang dữ liệu còn có các sóng mang

TPS (Transmission Parameter Signal) mang các thông số phát (của máy phát) báo cho đầu thu nhận ra (phục vụ cho quá trình thu, giải điều chế QAM, giải mã MPEG) Các sóng mang TPS có mức lớn hơn các sóng mang đữ liệu 2,5 dB, nên khi hệ thống máy phát gây ra sự suy giảm mức của các sóng mang TPS sẽ làm cho quá trình thu, giải mã tại phía thu gặp khó khăn

5.5 Rung pha (PJ) và nhiễu pha dao động nội

Nguyên nhân của sự rung pha do sự dao động của pha hoặc tần SỐ, sự rung

pha hay nhiễu pha được tạo ra tại các bộ biến đổi tại phần phát hoặc điều chế IQ Nhiễu pha dao động nội xuất hiện tại máy phát do sự xáo trộn ngẫu nhiên về pha

của dao động nội Nhiễu pha của dao động nội trực tiếp gây ra lỗi pha của hệ thống

máy phát Khi xuất hiện nhiễu giữa các sóng mang do tính chất trực giao của các sóng mang bị phá vỡ, lỗi pha làm suy giảm mức dự trữ chống nhiễu và tăng tỷ số

-16-KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phái hình tương tự và máy phát hình số

lỗi bit Lỗi pha được đo bằng thiết bị phân tích phô trên nguyên tắc đánh giá mức

độ suy giảm mức tại các tần số fa, fạ, f- và được biểu diễn theo đơn vị dBc/Hz

5.6 Đặc điểm xuất hiện các tín hiệu đỉnh trong điều chế DVB-T

Trong máy phát hình tương tư (analog), tín hiệu âm thanh thực hiện điều

tần, vì vậy, biên độ của sóng mang âm thanh có thê thực hiện hạn biên (hoặc xén,

nén), mà không ảnh hưởng đến chất hrợng âm thanh Tín hiệu video thực hiện điều

biên Vì vậy, không thể thực hiện việc hạn biên với tín hiệu sóng mang video Tuy nhiên, vì thực hiện điều biên cực tính âm, biên độ lớn nhất của tín hiệu sóng mang

-17-KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

video là khoảng thời gian có xung đồng bộ dòng Xung đồng bộ dòng là xung mang tính cố định (cả về độ lớn và thời gian), không ngẫu nhiên Vì vậy, các biên

độ lớn nhất của sóng mang video cũng không xuất hiện ngẫu nhiên, chúng luôn cố

định và hoàn toàn xác định được Vì vậy, khi thiết kế máy phát hình tương tư

(analog), chỉ cần quan tâm tới việc làm sao độ lớn nhất của biên độ của tín hiệu sóng mang video không đây các bán dẫn rơi vào vùng bão hòa Khi sóng mang video đây các bán dẫn bị rơi vào vùng bão hòa, sẽ gây ra hậu quả: các xung đồng

bộ dòng sẽ ngắn lại và méo dạng: kết quả các TV sẽ không tách xung đồng bộ

dòng hoàn chỉnh và hình sẽ mất đồng bộ

Trong máy phát hình số DVB-T, dòng tín hiệu số thực hiện phương thức điều chế cơ sở QAM Hơn nữa, không chỉ một sóng mang, mà có hàng ngàn sóng mang

Pha và biên độ của các sóng mang sẽ xuất hiện một cách ngẫu nhiên tùy theo nhóm

tín hiệu số (nhóm tín hiệu số đó còn gọi là Symbol) đưa vào điều chế Không thể

thực hiện phương thức hạn biên đối với các sóng mang này Vì vậy, sau khi thực hiện biến đổi Fuorier ngược và điều chế, sẽ xuất hiện các tín hiệu có biên độ đỉnh

một cách đột biến và rất ngẫu nhiên Tất nhiên, tùy theo thông số điều chế cụ thể,

mà xác suất xuất hiện cũng khác nhau, giá trị các biên độ đỉnh cũng khác nhau

Nhưng đối với các tín hiệu thực hiện điều chế x-QAM với kỹ thuật ghép đa

tần trực giao OFDM trong máy phát hình số DVB-T, tỷ lệ giữa tín hiệu có biên độ đỉnh trên tín hiệu có biên độ trung bình cần quan tâm [Tài liệu: “Measurements

on MPEG2 and DVB-T signals (4)” của News from Rohde & Schwarz, number 172 (2001/III)”] néu hé sé dinh (Crest Factor) tinh ra dB được định nghĩa như sau:

Kerest = 20.log (Ve/Vems)

Trong đó:

'Vọ là điện áp đỉnh; Vws là điện áp trung bình (root-mean-square)

-18-KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

Giá trị đỉnh lớn nhất là khi các sóng mang ngẫu nhiên trùng pha vào đùng

một thời điểm Vì vậy, giá trị lý thuyết có thể căn cứ vào số lượng sóng mang, nếu

là chế độ 8k, thi Kerese = 20.l0g(6817)=38,3 dB và chế độ 2k, Kees = 20.log(1705)=32,3dB Nhưng, các giá trị này không xuất hiện trong thực tế Thông thuong, gid tri Keres 15,7 dB cho cả hai chế độ 2k và 8k với xác suất xuất hiện là

1.10”, Trong thực tế giá trị K,r.„ị cửa điều chế COFDM của các máy phát hình

số DVB-T chỉ khoảng 10-11đB (khi điều chế 64QAM) là xuất hiện với xác suất

đáng kế Nhưng với tỷ lệ điện áp đỉnh trên điện áp trung bình là 10-11 đB cũng gây

cho các mạch khuếch đại hoạt động rất khó khăn, thậm chí bán dẫn bị đánh thủng

Vì vậy, thiết kế chế tạo các mạch khuếch đại cho các máy phát hình số DVB-T cần chú ý tới hiện tượng vật lý này

Liên quan đến hiện tượng này, tại một số tài liệu kỹ thuật khác, các chuyên gia

thường dùng khái niệm tỷ lệ (công suất) đỉnh trên (công suất) trung bình (Peak To

Average Power Ratio=PAR) Thực chat Keres: hoc PAR 1a déu mé ta một hiện

tượng

3.7 Đặc tính tuyến tính của hệ thống máy phát

Do đặc điểm của méo xuyên điều chế, khi máy phát có méo lớn sẽ tạo ra các

thành phần hài là sản phẩm của méo xuyên điều chế Đặc tính tuyến tính của hệ thống được đánh giá thông qua hệ số suy giảm vai của phố tín hiệu Độ tuyến tính

của hệ thống có vai trò quyết định không chỉ đối với chất lượng của tín hiệu được

phát mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng hoạt động an toản của các tầng

khuếch đại công suất

~19-KC.0L16 Phản tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

6.1 So sdnh vé cau tao, tin hiệu phát và các pháp đo máy phát

Về cơ bản, sơ đồ khối máy phát hình số và tương tự giống nhau Chỉ khác nhau ở bộ điều chế tương tự hay số Tuy nhiên các khuếch đại khi sử dụng để phát

số (với số lượng nhiều chương trình) cần tuyến tính cao hơn khi phát tương tư

số, cụ thể là dòng truyền tải MPEG-2 Dái thông của tín hiệu số (hay chính xác hơn

là vận tốc của dòng truyền tai tir 4,9Mbit/s dén 31 Mbit/s

-20-KC01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phát hình số

Phổ cao tần ra của phát tương tự chỉ tập trung tại vùng tần số của sóng mang

video, sóng mang âm thanh và sóng mang màu Tần số mang video cách tần số mang âm thanh là 6,5MHz Phổ cao tần ra của máy phát hình số sẽ dày đặc trong dải thông 7,61MHz, tận dụng hết vùng phổ Vì vậy, về đo công suất của máy phát

hình tương tự thường là đo công suất đỉnh xung đồng bộ, đối với máy phát hình số

đo công suất trung bình

Về xuất hiện điện áp đỉnh trong máy phát tương tự không xảy ra, nhưng trong máy

phát số thường xuyên xảy ra

Các phép đo máy phát cũng có nhiều thông số hoàn toàn khác nhau như đã trình

bày trong hai phần trên Hệ thống thiết bị đo chất lượng hai máy sử dụng hai công

nghệ khác nhau là khác nhau hoàn toàn

6.2 Quy trình sản xuất

_ Khi sản xuất các mạch, các khối khuếch đại, các bộ chia, bộ cộng, các khối nguồn của hai chủng loại máy phát (tương tự và số) hoàn toàn giống nhau Vì vậy,

về dây chuyển sản xuất hai chủng loại máy phát là một Tận dụng hoàn toàn các hệ

thống thiết bị đo lường hiện có (đã sử dụng dé sản xuất máy phát hình tương tự) dé

sản xuất máy phát hình số: ví đụ như máy phân tích mạng, máy đo phổ, máy do

trường, các loại đồng hồ đo vv Các thiết bị này vẫn sử dụng để đo chất lượng kỹ

thuật của toàn hệ thống hai chủng loại máy phát

Tuy nhiên, khi kiểm tra đo chất lượng phát (đo toàn hệ thống máy phát) của

hai chủng loại máy phát, sử dụng hai hệ thống thiết bị đo có khác nhau Các máy

generator video, audio, máy phân tích và đo tín hiệu video, audio, máy đo độ sâu

điều chế AM-FM chỉ để đo máy phát hình tương tự không thể đo chất lượng máy phát hình số được Khi đo chất lượng phát của máy phát hình số, cần sử dụng các

chủng loại thiết bị đo khác để đo các thông số đã nêu trong phần nói về máy phát

hinh s6 DVB-T, nhu: may do 4T2, DTTR 2000, wv

-21-KC.01.16 Phân tích, so sánh máy phát hình tương tự và máy phái hình số

Công nghệ phát số đã kế thừa tận dụng những phương tiện, hạ tầng đã có do

công nghệ tương tự tạo ra Trong sản xuất các thiết bị theo công nghệ số cũng tận

dụng được dây chuyển, nhiều thiết bị đo để sản xuất các thiết bị theo công nghệ cũ

Tuy nhiên, để đánh giá chất lượng phát, hoặc truyền dẫn tín hiệu của máy phát theo

công nghệ số, cần đầu tư thêm các loại thiết bị đo lường cho phù hợp

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Các tài liệu máy phát hình analog của các hãng Harris, Electronika, Btesa, Toshiba

- [2] Cac tài liệu máy phát số của các hãng Egatel, CTE, Tektronix, Harris,

Intelco

-22-KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

MỤC LỤC

BẢNG TỪ VIẾT TẮTT -s- Sư S33 EE S33 3219 x3 Trà ng131 c3 1z 2

1 DAC ĐIÊM TÍN HIỆU SỐ DVB-T 5-2 SS2kEztrtsrkerrrrrerrre 6

2 ĐẶC ĐIÊỄM MÁY PHÁT SỐ DVB-T - 5c s c2ttxtrrrrrrerrrrrik 9

3 CAC CONG NGHE BAN DAN SU DUNG TRONG KHUECH DAI TIN HIỆU SỐ DVB-T 225-222 22.1 1 crrriee 11

3.1 Công nghệ bán dẫn hréng cuc BJT (Bipolar Junction Transistor) 12

3.3 Céng nghé ban dan LDMOS (Laterally Diffused MOSFET) 18

4 UUNHUGC DIEM CUA CÁC CÔNG NGHỆ BÁN DẪN TRONG MAY

5 KẾT LUẬN c- 2v cccererrerrerrererrree " 22 TAI LIEU THAM KHẢO 02252 S222 22H 1102112112111 11 111k 24

190099 25

KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

BANG TU VIET TAT

Interchange ATM Asynchronous Transfer Mode

ATSC Advanced Television System Commitee

bslbf bit string, left bit first

Multiplexing

digital terrestrial television (EN 300 744) -

Institute

KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bản dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

- | Terrestrial -

LPF Low Pass Filter

MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET

NIT Network Information Table

PAL Phase Alternating Line

PAT Program Association Table

KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phat hinh s6 DVB-T

defined in ISO/IEC 13818-1)PTS Presentation Time Stamps

RF Radio Frequency

RMS Root Mean Square

SER Symbol Error Rate

STE System Target Error

STEM _ STE Mean

KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phái hình số DVB-T

KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

May phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật ghép đa sóng mang trực giao có

mã (COFDM - ) để điều chế dòng tín hiệu MPEG (được gọi là dòng TS -

Transport Stream) lên các sóng mang Điều này có nghĩa là tiêu chuân DVB-T

sử dụng những sơ đồ điều chế phức tạp cho phép truyền tải dòng tín hiệu tốc độ

cao trong một băng thông cố định và tương đối hẹp (độ rộng băng thông cho

DVB-T ở Việt Nam là § Mhz) Tuỳ vào chế độ điều chế là 2K hoặc 8K sẽ có

1705 hoặc 6817 sóng mang trong toàn bộ băng thông 8MHz của một kênh

Các sơ đồ điều chế này có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

ngẫu nhiên cao và tham số này rất nhạy cảm với méo phi tuyến của các mạch

khuếch đại công suất Méo xuyên điều chế gây ra bởi đặc tính méo phi tuyến của máy phát sinh ra các sản phẩm trong băng (in-band) và các sản phẩm ngoài băng (out-of-band) Các sản phẩm trong băng làm suy giảm mức dự trữ chống

nhiễu, tỷ số lỗi điều chế hay ty sé tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu Ảnh hưởng

của sự suy giảm của các tham số này là làm suy giảm khả năng phủ sóng của tín

hiệu Các sản phẩm ngoài băng thực chất là các thành phần hài tồn tại hai bên

biên tần của tín hiệu, các thành phần này có thể nhìn thấy một cách trực quan trên máy phân tích phổ như hai vai của phổ tín hiệu Các thành phần này ngoài

việc gây nhiễu sang các kênh liền kể còn làm giảm hiệu suất hoạt động của máy

phát

Trên hình ảnh minh hoạ của tín hiệu OFDM (Hình 1) có thể thấy các

sóng mang cách đều và có tính trực giao Đặc tính cơ bản này cần được duy trì trong cả đường truyền từ phía phát tới phía thu và giải mã vì tín hiệu sau giải

điều chế sẽ bị lỗi khi tính trực giao của các sóng mang bị phá vỡ

KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Septurn of én OFDM Sub Channel

Hình 1 Hình ảnh mình hoạ phổ tín hiệu OFDM

+% Đặc điển về điều chế cơ sở (hay biểu đồ các chòm sao)

Như phân trên đã trình bày, đối với phát hình số DVB-T, yêu cầu về độ tuyến tính của các khuếch đại có khác nhau, khi mà sử dụng điều chế cơ sở

- khác nhau

Điều chế cơ sở 4QAM (QPSK) thường được sử dụng để phát lên vệ tỉnh

Trên biểu đề chòm sao mỗi góc phần tư có nột chòm sao, do đó khoảng cách giữa các chòm sao lớn, tín hiệu được điều chế theo phương thức này truyền đi ít

bị lỗi Tuy nhiên, khi phát 4QAM số lượng chương trình phát đi sẽ ít nhất

_ Nhưng khi máy phát hình số DVB-T sử dụng điều chế 64-QAM, trên

biểu đồ chòm sao, mỗi góc phần tư có l6 chòm sao, thi van dé lại hoàn toàn

khác Độ sai lệch về biên độ, về pha của mỗi chòm sao đều có giới hạn rất hẹp

Khi chòm sao không nằm đúng vị trí vốn có của nó, và do số lượng chòm sao lớn, các chòm sao nằm rất gần nhau, nên khi bị méo về biên độ và méo về pha, các chòm sao có thể dính vào nhau, máy thu tách nhằm và cho ra nhóm bit sai

với nhóm bít phát đi, kết quả sẽ gây lỗi

Mà sự sai lệch vị trí của chòm sao do nhiều nguyên nhân gây ra, nhưng

chủ yếu và trước hết là do méo về biên độ và méo về pha của khuếch đại gây ra

KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Đặc điểm về tín hiệu có biên độ đỉnh

Trong trường hợp phát hình PAL analog, biên độ cực đại của tín hiệu cao

tần xuất hiện tại các khoảng thời gian của xung đồng bộ dòng Các giá trị này mang tính cố định không có tính ngẫu nhiên Việc thiết kế, lắp ráp và chuẩn chỉnh các khuếch đại có thể nhận biết vào độ méo của các xung đồng bộ Do tính cố định (không ngẫu nhiên) của các đỉnh xung đồng bộ, nên các khuếch đại

sử dụng để khuếch đại các tín hiệu phát hình đã điều chế không phải quá quan

tâm về tính đột biến tín hiệu

Nhưng đối với các tín hiệu thực hiện điều chế x-QAM với kỹ thuật ghép

đa tần trực giao OFDM, tý lệ giữa tín hiệu có biên độ đỉnh trên tín hiệu có biên

độ trung bình cần quan tâm [Bài báo: “Measurements on MPEG2 and DVB-T signals” của hãng Rohde & Schwarz, number 172 (2001/T1) [5Š] nêu hệ số đỉnh (Crest Factor) tính ra dB được định nghĩa như sau:

K xe: = 20.log (Vp/Vnws)

Trong đó:

Vỹ là điện áp đỉnh

Vans 1a dién ap trung binh (root-mean-square)

Tín hiệu COFDM gần giống như nhiễu trắng Giá trị đỉnh lớn nhất là khi

mọi sóng mang hoàn toàn trùng pha vào đùng một thời điểm Vì vậy, giá trị lý

thuyết có thể căn cứ vào số lượng sóng mang, nếu là chế độ 8k, thì Kerest =

20.log (6817)=38,3 dB va ché 46 2k, Kees: = 20.log (1705)=32,3dB Nhung, các

giá trị này không xuất hiện trong thực tế Théng thudng, gid tri Kerest > 15,7 dB

cho cả hai chế độ với xác suất xuất hiện là 1.10”, Trong thực tế giá trị Kze:

của điều chế COEDM của các máy phát hình số DVB-T chỉ khoảng 10-

11đB (khi điều chế 64QAM) Nhưng với tỷ lệ điện áp đỉnh trên điện áp trung

bình là 10-11 đB cũng gây cho các mạch khuếch đại hoạt động rất khó khăn,

KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phái hình số DVB-T

thậm chí bán dẫn bị đánh thủng Vì vậy, thiết kế, chế tạo các mạch khuếch đại cho các máy phát hình số DVB-T cần chú ý tới hiện tượng vật lý này

Hình 2 mô tả máy phát hình số DVB-T Tín hiệu đưa vào bộ điều chế

COFDM là dòng truyền tải MPEG (dòng tín hiệu số), dòng này chứa ! hoặc nhiều chương trình đã được số hóa, nén và ghép chung lại

Ngoài ra, có các khối nguồn, các mạch điều khiển, mạch trích đo và chỉ

thị các tham số hoạt động của máy phát

KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bản dẫn khuếch đại trong máy phái hình sé DVB-T

% Điều chế

Đầu ra của bộ điều chế số DVB-T là tín hiệu cao tân có mức khoảng từ —

10 dBm đến 0dBm, thay đổi được theo 0,1đB

4% Khuếch đại kích

Mạch khuếch đại kích có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu cao tần từ điều

chế tới mức công suất đủ lớn Do mức tín hiệu cao tần từ điều chế rất thấp nên yêu cầu mạch khuếch đại kích cần có hệ số khuếch đại lớn và tuyến tính cao

Để đảm bảo các yêu cầu này, mạch khuếch đại kích được thiết kế hoạt động ở

chế độ A

Việc lựa chọn công nghệ bán dẫn cho các mạch khuếch đại kích cần cân

nhắc và căn cứ các thông số cụ thể của bán đẫn đó để có những thiết kế tối ưu

Ngoài khả năng đáp ứng của chính phần tử khuếch đại, khả năng phối

hợp trở kháng của mạch quyết định hiệu suất và băng thông nên mạch khuếch

đại kích trong ứng dụng phát số DVB-T cần phải đáp ứng được các yêu cầu về

trở kháng và độ phẳng của đặc tuyến truyền đạt Tuy nhiên không phải mọi linh

kiện đều hoạt động hoàn hảo trong mọi trường hợp nên tín hiệu sẽ bị méo do sự

hoạt động sai lệch, không chuẩn của các linh kiện và các thông số (độ tăng ích,

biến đổi pha) hạn chế của phần tử khuếch đại gây ra

Với các mạch khuếch đại kích, ngoài việc lưu ý tới chế độ làm việc và

phối hợp trở kháng cần quan tâm tới mức vào cực đại của tín hiệu để tránh gây

méo tín hiệu ra và làm hỏng các phần tử khuếch đại bán dẫn

% Khuếch đại công suất

Đề đáp ứng hệ số khuếch đại và độ tuyến tính khi khuếch đại tín hiệu nhỏ, các mạch khuếch đại kích được thiết kế hoạt động ở chế độ A Nhưng để giải

-10-KC.01.16_ Đánh giả lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

quyết bài toán tối ưu giữa hiệu suất và độ tuyến tính, các mạch khuếch đại công suất được thiết kế hoạt động ở chế độ AB

Khi hoạt động tại chế độ AB, các phần tử khuếch đại bán dẫn đã không

làm việc ở vùng hoàn toàn tuyến tính như ở chế độ A nên khả năng gây ra méo

là không tránh khỏi Trong trường hợp đó, đặc tuyến ra của các phần tử khuếch

đại sẽ có dạng đường cong Ảnh hưởng của méo phi tuyến sẽ làm sai lệch các tín hiệu vào và tạo ra các thành phần phổ không mong muốn đo hiện tượng méo xuyên điều chế giữa các sóng mang Có nhiều kỹ thuật để giải quyết van dé nay

nhưng kỹ thuật tối ưu nhất là sử dụng bộ gây méo tín hiệu trước khi khuếch đại

để bù lại đặc tính méo của các mạch khuếch đại công suất

Mỗi mạch khuếch đại công suất chỉ có khả năng đáp ứng được một mức công suất nhất định nên cần sử dụng các kỹ thuật cộng công suất dé nhận được mức công suất lớn từ những mạch khuếch đại công suất độc lập

TÍN HIỆU SỐ DVB-T

Một trong những phần tử không thể thiếu của các thiết bị điện tử nói

chung là các transistor, các transistor duoc ché tao theo nhiéu công nghệ khác nhau và sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau Nhưng dù được chế tạo bởi vật

liệu nào các transistor cũng có cấu trúc /ưống cwe hoic FET (Field Effect Transistor) Transistor trường FET được chia thành nhiều loại với một số thay

đổi về cấu trúc để đáp ứng các ứng dụng khác nhau

JFET Qunction FET): Được sử dụng trong những ứng dụng xử lý tín hiệu nhỏ

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET): Chủ yếu sử dụng trong

những ứng dụng yêu cầu độ tuyến tính cao và chuyển mạch công suất

-11-KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Mỗi cấu trúc có đặc điểm riêng nên cũng có những ưu nhược điểm khác

nhau, vì vậy việc sử dụng loại công nghệ bán dân nào tuỳ thuộc vào yêu câu cụ

thể của các ứng dụng

3.1 Công nghệ bán dẫn lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistor)

Transistor lưỡng cực là cấu trúc transistor đầu tiên và được chế tạo chủ

yếu bằng vật liệu bán dẫn Gecmany, Silicon C4u tạo bao gồm 3 lớp vật liệu bán dẫn theo thứ tự n-p-n hoặc p-n-p, với các transistor pnp sẽ có một lớp bán dẫn n rất mỏng nằm giữa hai lớp bán dẫn p và ngược lại với transistor npn sé có

Hình 3 Cau tric transistor BJT

Các transistor chế tạo theo công nghệ này làm việc như một thiết bị điều khiển bằng dòng điện Điều này có nghĩa là khi có một điện nhỏ chạy từ cực B tới cực E hoặc ngược lại (dòng điện này được gọi là dòng điện điều khiển) thì

sẽ tạo ra một dòng điện lớn hơn (dòng điện được điều khiển) chạy từ cực C tới

-12-KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phái hình số DVB-T

cực E hoặc ngược lại Chiều dòng điện điều khiển và dòng được điều khiển phụ

thuộc vào loại transistor là n-p-n hay p-n-p Chính vì đặc tính này các BỊT được

biết đến như một thiết bị khuếch đại dòng

Đo cấu tric ché tao nén BJT rat nhạy cảm với nhiệt độ do các lớp bán dẫn giữa cực C và cực E như một điện trở có hệ số nhiệt âm Như vậy, khi nhiệt

độ của BỊT tăng lên sẽ làm giảm giá trị điện trở hình thành giữa cực C và cực E

Vi li do này mạch định thiên cho BIT khá phức tạp và cần phải có các mạch bù nhiệt trong phần mạch định thiên Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các hãng sản xuất linh kiện bán dẫn cao tần nên các BJT chủ yếu được sử dụng

trong các mạch khuếch đại đơn có mức công suất thấp như các mạch khuếch đại

kích trong các máy phát hình nói chung (chế độ A) và các mạch khuếch đại công suất (chế độ AB hoặc C) chỉ yêu cầu mức công suất vài chục Watt -

3.2 Công nghệ bán dẫn MOSFET (Metal — Oxide — Semiconductor FET)

Transistor MOSFET được phát triển trên cơ sở của một loại transistor có

sử dụng để kim loại trên đỉnh của lớp bán dẫn Điện trường ở bề mặt lớp bán

dẫn được hình thành bởi điện áp được đưa vào để kim loại cho phép điều khiển

dòng điện giữa các tiếp giáp kim loại Các cực của loại transistor này được gọi

là cực cửa (Gate), cực nguồn (Source) và cực máng (Drain)

-13-KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bản dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Hình 4 Cầu trúc và ký hiệu transistor MOSFET

Trong cấu trúc MOSFET thiết kế kênh lệch (lateral), các cực G, D và S

nằm trên cùng mặt của lớp bán dẫn mỏng Điều này cho phép tăng khá năng tích hợp nhưng không đạt được giá trị công suất lớn khi khoảng cách giữa cực

D và S cần lớn để đảm bảo khả năng cách điện, vì vậy dòng Ids sẽ tỷ lệ nghịch với khoảng cách giũa hai cực

Với thiết kế cấu trúc kênh thẳng đứng, hai cực D và S nằm đối diện nhau

ở hai bên lớp bán dẫn Cấu trúc này có nhiều không gian hơn cho cực nguồn và

có thể sử dụng cho các thiết bị công suất Khi khoảng cách giữa hai cực D, S

tăng có thể tăng giá trị dong Ids va kha năng cách điện

Kiểu thiết kế với cấu trúc kênh thắng đứng gồm: VMOSFET, DMOSFET

_va UMOSFET

-14-KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

VMOSFET DMOSFET UMOSFET

Hình 5 Mặt cắt cấu trúc các loại MOSFET

% Các đặc tính cơ bản về cấu trúc của transistor MOSFET

Cấu trúc MOSFET bao gồm 4 lớp bán dẫn thang đứng (n" pn n”)

Tổn tại BỊT ký sinh giữa cực D và cực S: Do đặc điểm cấu trúc nên tồn

tại các phần tử ký sinh bên trong MOSFET Hình 6 biểu diễn cấu trúc của

MOSFET với một BỊT ký sinh giữa cực S va cuc D, điện áp đánh thủng MOSFET sé giam khi BỊT thông vì một lí do nào đó Một trong những nguyên nhân làm cho BỊT mở là do điện áp Uds đột biến tăng trong khi MOSFET chuyển sang chế độ khoá ở tốc độ cao Trường hợp này có thể đặt MOSFET vào trạng thái đánh thủng thác lũ nên cần cung cấp điện áp một chiều ổn định trong các ứng dụng chuyển mạch công suất

-15-KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phái hình số DVB-T

Hình ó Cầu trúc MOSFET kênh thẳng đứng có biểu diễn BỊT ký sinh

Vùng giữa cực D và cực Š được biểu diễn như một điện trở nhưng tất

nhiên không hoàn toàn giống như một điện trở thông thường Khi hoạt động

MOSFET khác hoàn toàn một BỊT vì nó luôn giữ lại các đặc tính npn của nó

Do cực G có khả năng cách ly rất cao nên MS được mô tả như một thiết

bị trở kháng cao điều khiển bằng điện áp trong khi BỊT là một thiết bị trở kháng thấp điều khiển bằng dòng điện Diode ký sinh giữa D và S có nhiệm vụ như

một diode ghim trong các mạch có tải điện cảm

Do đặc điểm câu trúc gồm nhiều lớp bán dẫn và oxit kim loại nên ngoài

các phần tử ký sinh là BJT va diode còn tổn tại các điện dung ky sinh, chính các điện dung ký sinh này tạo ra điện dung vào, điện dung ra và điện dung truyền

đạt của MOSFET

Như đã mô tả giữa cực G và thân có khả năng cách ly cao, về mặt lý thuyết sẽ không có dòng điện từ nguồn định thiên vào cực G nhưng trong thực tế sẽ có

dòng điện với giá trị khoảng vài chục nA chạy qua và giá trị này được xác định

trong datasheet nhu dong rd (IGSS) Do dong dién eve G có giá trị rất nhỏ nên

trở kháng vào của MOSFET rat cao nhung trong thực tế do sự cách ly của cực

G nên trở kháng vào của MOSFET có tính dung kháng nhiều hơn

-16-KC.01.16 Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Nhiệt độ hoạt động cao của các BỊT thường là nguyên nhân của lỗi vì xu

thế dòng điện trong BT tập trung xung quanh E và kết quả là có sự tiêu tán

nhiệt thậm chí còn phá huỷ BỊT Trong khi đó MOSFET không có những

nhược điểm đó do dòng điện trong MOSFET phụ thuộc vào chuyển động của các phần tử mang điện Nhưng chuyển động này phụ thuộc vào nhiệt độ của silicon và tính chuyển động sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Do các đặc tính này MOSFET có hệ số nhiệt điện trở dương và được biểu diễn như hình trên Điều

đó có nghĩa là MOSFET có thé ổn định khi nhiệt độ dao động và có khả năng chống lại nhiệt tiêu tán và đánh thủng thứ cấp

Do công nghệ này có nhiều đặc tính tối ưu nên được sử dụng trong các

tầng khuếch đại công suất dé dam bao độ tuyến tính và ổn định cao

-17-KC.01.16_ Đánh giá lựa chọn công nghệ bán dẫn khuếch đại trong máy phát hình số DVB-T

Cac transistor MOSFET duge ché tạo theo phương pháp khuếch tán

(diffusion) bao gồm VDMOS và LDMOS Các công nghệ chế tạo này được sử

dụng để tối ưu hơn các ưu điểm của công nghệ MOS như tăng trở kháng vào,

giảm điện dung ký sinh, giảm điện trở Rds khi transistor mở và tăng giá trị điện

áp đánh thủng Công nghệ LDMOS đã được một số hãng sản xuất linh kiện

bán dẫn như MOTOROLA, ERICSSON, PHILIPS nghiên cứu và phát triển

cho các ứng dụng thoại 900 MHz, đó cũng là nguyên nhân vì sao chủ yếu các

linh kiện bán dẫn công nghệ LDMOS được chế tạo đáp ứng các ứng dụng có

băng tần hoạt động từ UHF trở lên

Hình 8 Mặt cắt cầu trúc bán dẫn công nghệ VDMOS và LDMOS

Trong thực tế, các ứng dụng phát hình nói chung và phát số DVB-T nói

riêng thường sử dụng các transistor công suất LDMOS cho các tầng khuếch đại

công suất Do cấu trúc kênh nên các transistor LDMOS có điện dung hồi tiếp

rất thấp Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào điện dung hỏi tiếp và hệ số điện cảm

-18-