Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc cho các bộ khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần

1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADS Advanced Design System – Hệ thống thiết kế nâng cao EM Năng lượng trường điện từ HEMT High electron mobility transistor Bóng bán dẫn linh động điện tử cao HFET Heterostruct.

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADS Advanced Design System – Hệ thống thiết kế nâng cao

HEMT High-electron-mobility transistor - Bóng bán dẫn linh động điện tử

cao

MOM Metal-oxide-Metal – Tụ điện kim loại oxit kim loại

RFIC Radio frequency integrated circuit – Mạch tích hợp tần số vô tuyến

DANH MỤC HÌNH V

Hình 1 1: Các phần tử tập trung; (a) tụ điện bản song song; (b) tụ điện khe hở; (c)

tụ điện kỹ thuật số 6

Hình 1 2: Chi tiết về BJT; (a) Mặt cắt của BJT; (b) Lưu lượng dòng của BJT 9

Hình 1 3: Chi tiết về MOSFET; (a) Hình ảnh 3 chiều của MOSFET; (b) Mặt cắt ngang của MOSFET; (c) Ba miền hoạt động của MOSFET 10

Hình 1 4: Các loại MOSFET; (a) MOSFET loại p chế độ tăng cường; (b) MOSFET loại n chế độ tăng cường; (c) MOSFET loại p chế độ cạn kiệt; (d) MOSFET loại n chế độ cạn kiệt 11

Hình 1 5: Đặc tính điện áp – dòng của MOSFET chế độ tăng cường 12

Hình 2 1: Sơ đồ vị trí của bộ khuếch đại công suất trong hệ thống thông tin 16

Hình 2 2: Một mạng 2 cửa với trở kháng nguồn và tải 17

Hình 2 3: Một mô tả đặc trưng của một mạch phi tuyến 19

Hình 2 4: Đặc tính công suất và hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại; (a) PIN = 10 mW tín hiệu nhỏ; (b) PIN = 50 mW bộ khuếch đại đã bão hòa; (c) Đặc tính của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại 20

Hình 2 5: Một chuỗi xung định kỳ đi qua một hệ thống tuyến tính và trải qua biến dạng 22

Hình 2 6: Sự phụ thuộc của; (a) công suất đầu ra; (b) dòng điện phân cực DC vào công suất đầu vào cho bộ khuếch đại công suất điển hình 23

Hình 2 7: Sự phụ thuộc của tổng công suất đầu ra, hiệu suất, và tăng thêm công suất với công suất đầu vào cho 1 bóng bán dẫn điển hình 24

Hình 2 8: Đồ thị phóng đại của công suất đầu ra so với công suất đầu vào cho một bóng bán dẫn 26

Hình 2 9: Các đặc tính điện áp dòng của một bóng bán dẫn được sử dụng trong một bộ khuếch đại cho thấy các điểm không hoạt động của các loại bộ khuếch đại khác nhau; (a) đặc tính đầu ra, (b) đặc tính đầu vào 27

Hình 2 10: Các đặc tính điện áp dòng của bộ khuếch đại bóng bán dẫn được hiển thị với đường dây tải của bộ khuếch đại chế độ A; (a) bộ khuếch đại lưỡng cực; (b)

FET khuếch đại 28

Hình 2 11: Bộ khuếch đại một đầu loại A; (a) Transitor BJT với các cực B, C và E; (b) Transitor MOSFET có cực cổng G, cực máng D và cực nguồn S 29

Hình 2 12: Dạng sóng đầu vào và đầu ra cho các loại bộ khuếch đại khác nhau; (a) chế độ A, B, C và AB của bộ khuếch đại; (b) bộ khuếch đại chuyển mạch 30

Hình 2 13: Các dòng tải DC và RF của bộ khuếch đại chế độ A, B và C 31

Hình 2 14: Cấu hình khuếch đại 32

Hình 3 1: Giao diện phần mềm ADS trong mô phỏng, tính toán 40

Hình 3 2: Một số hình dạng thông dụng của phần tử, thiết bị 40

Hình 3 3: Bóng bán dẫn GaN HEMT NP2500MS 42

Hình 3 4: Sơ đồ ADS mô phỏng DC 46

Hình 3 5: Đặc tuyến ra: I DS = f(V DS ) 46

Hình 3 6: Đặc tuyến truyền đạt: I DS = f(V GS ) 47

Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất lý tưởng 48

Hình 3 8: Đồ thị thể hiện các thông số: Hiệu suất (PAE), Công suất ra (P OUT ), Công suất vào (P IN ), Hiệu suất cực máng (E ff ), Hệ số khuếch đại (Gain) 49

Hình 3 9: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK vào lý tưởng trên phần tử lý tưởng

tại tần số hài 2f 0 = 6 GHz 51

Hình 3 10: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng nguồn Z S2 tại trở kháng thực tế Z 0 = 50 Ω 52

Hình 3 11: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK vào lý tưởng trên phần tử lý tưởng

tại tần số làm việc f 0 = 3 GHz 52

Hình 3 12: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng nguồn Z S1 tại trở kháng thực tế Z 0 = 50 Ω 53

Hình 3 13: Công cụ Linecals trong ADS 53

Hình 3 14: Thông số đế Megatron6 của Panasonic 54

Hình 3 15: Xây dựng mạch PHTK vào nguyên lý trên các phần tử mạch dải tại tần số hài 2f 0 = 6 GHz 54

Hình 3 16: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng nguồn Z S2 tại cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 55

Hình 3 17: Xây dựng mạch PHTK vào nguyên lý trên các phần tử mạch dải tại tần số làm việc f 0 = 3 GHz 55

Hình 3 18: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng nguồn Z S1 tại cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(3,3) 56

Hình 3 19: Đặc trưng tổn hao của mạch PHTK vào 56

Hình 3 20: Layout của mạch PHTK vào 56

Hình 3 21: Sơ đồ mạch PHTK vào cấp độ trường điện từ (EM) 57

Hình 3 22: Đặc trưng tổn hao của mạch EM và mạch nguyên lý

tại tần số làm việc f 0 = 3 GHz 57

Hình 3 23: Đặc trưng trở kháng của mạch EM và mạch nguyên lý

tại tần số làm việc f 0 = 3 GHz 58

Hình 3 24: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK ra lý tưởng trên phần tử lý tưởng

tại tần số hài 3f 0 58

Hình 3 25: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L3 cấp độ lý tưởng 59

Hình 3 26: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK ra lý tưởng trên phần tử lý

tưởng tại tần số hài 2f 0 = 6 GHz 59

Hình 3 27: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L2 cấp độ lý tưởng 59

Hình 3 28: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK ra lý tưởng trên phần tử lý tưởng tại tần số làm việc f 0 = 3GHz 60

Hình 3 29: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L1 cấp độ lý tưởng 60

Hình 3 30: Xây dựng mạch PHTK ra nguyên lý trên các phần tử mạch dải tại tần số hài 3f 0 61

Hình 3 31: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L3 tại cấp độ nguyên lý

S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 61

Hình 3 32: Xây dựng mạch PHTK ra nguyên lý trên các phần tử mạch dải tại tần số hài 2f 0 62

Hình 3 33: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L2 tại cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 62

Hình 3 34: Xây dựng mạch PHTK ra nguyên lý trên các phần tử mạch dải tại tần số làm việc f 0 = 3GHz 63

Hình 3 35: Đồ thị Smith thể hiện giá trị trở kháng tải Z L1 tại cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(3,3) 63

Hình 3 36: Đặc trưng tổn hao của mạch PHTK ra 63

Hình 3 37: Layout của mạch PHTK ra 64

Hình 3 38: Mạch PHTK ra cấp độ trường điện từ EM 64

Hình 3 39: Đặc trưng tổn hao của mạch EM và mạch nguyên lý tại

tần số làm việc f 0 = 3 GHz 65

Hình 3 40: Đặc trưng trở kháng của mạch EM và mạch nguyên lý

tại tần số làm việc f 0 = 3 GHz 65

Hình 3 41: Sơ đồ nguyên lý của tụ thông 66

Hình 3 42: Đặc trưng của tụ thông; Trở kháng zin (Ω) 66

Hình 3 43: Sơ đồ nguyên lý của cuộn chặn 67

Hình 3 44: Đặc trưng cuộn chặn; Trở kháng zin (Ω) 67

Hình 3 45: Sơ đồ nguyên lý mạch phân áp 68

Hình 3 46: Đặc trưng mạch phân áp 68

Hình 3 47: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 69

Hình 3 48: Kết quả mô phỏng hiển thị giá trị hiệu suất và hệ số khuếch đại của mạch nguyên lý so với mạch lý tưởng 69

Hình 3 49: Sơ đồ EM mạch khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 70

Hình 3 50: Kết quả mô phỏng mạch EM so với mạch nguyên lý thể hiện ở giá trị

hiệu suất và hệ số khuếch đại 71

Hình 3 51: Phổ tín hiệu ra 71

Hình 3 52: Dải thông của mạch KĐCS cấp độ EM 72

Hình 3 53: Sơ đồ layout toàn mạch của bộ KĐCS bán dẫn siêu cao tần 73

DANH MỤC BẢNG BI

Bảng 2.1: Các thông số hệ số ổn định Rollet 38 Bảng 2.2: Thông số ổn định Edwards-Sinsky cho bóng bán dẫn pHEMT 39Y Bảng 3.1: Các giá trị trở kháng nguồn/tải tối ưu nhờ công cụ tune và opt 54

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

KHÁI QUÁT VỀ PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG, TÍCH CỰC 3

1.1 Phần tử thụ động 3

1.1.1 Tụ điện On-chip 4

1.1.2 Cuộn Cảm Phẳng 6

1.2 Phần tử tích cực 7

1.2.1 Các loại bóng bán dẫn 8

1.3 Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2 15

TỔNG QUAN CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BÁN DẪN SIÊU CAO TẦN 15

2.1 Khái niệm, ứng dụng, vai trò của kĩ thuật siêu cao tần 15

2.2 Khái quát chung về bộ khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần 16

2.2.1 Thiết kế bộ khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 17

2.2.2 Thiết kế bộ khuếch đại công suất tuyến tính 26

2.2.3 Phân loại mạch khuếch đại công suất 26

2.3 Tiêu chí ổn định Rollet – hệ số k 32

2.4 Tiêu chí ổn định Edwards-Sinsky – hệ số μ 34

2.5 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 39

TRÊN PHẦN MỀM KEYSIGHT ADS 39

3.1 Giới thiệu về phần mềm, tính toán trong đồ án 39

3.2 Bài toán thiết kế 41

3.2.1 Xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng 42

3.2.2 Lựa chọn bóng bán dẫn 42

3.2.3 Lựa chọn sơ đồ mạch điện 42

3.2.4 Lựa chọn công nghệ chế tạo 43

3.2.5 Xác định điểm làm việc tĩnh 43

3.2.6 Tính toán trở kháng vào/ra 47

3.2.7 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào, ra 50

3.2.8 Thiết kế mạch phân áp 66

3.2.9 Chạy mô phỏng toàn mạch 68

3.2.10Layout toàn mạch 72

3.3 Kết luận chương 3 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống, trao đổi thông tin là một trong những nhu cầu thiết yếu củacon người, nhu cầu đó đã xuất hiện từ rất lâu khi con người biết dùng đến lửa, tiếp đến là sử dụng tiếng động, ký hiệu tượng hình, âm thanh, hình ảnh để trao đổi thông tin liên lạc với nhau Tiếp tục giữ vai trò quan trọng và không ngừng phát triển, thông tin vô tuyến hiện nay được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như phát thanh truyền hình quảng bá, thông tin vệ tinh, quân sự, hàng không vũ trụ,liên lạc sóng ngắn Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, việc ứngdụng các thành tựu khoa học kĩ thuật hiện đại vào tất cả các lĩnh vực xã hội, kinh tếvới quy mô ngày càng mở rộng Việc bùng nổ thông tin như hiện nay thì yêu cầu đặt ra cho việc thông tin liên lạc lại cao hơn nhiều và ngày càng được mở rộng cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử viễn thông như: các mạng vô tuyến không dây, truyền hình, điện thoại di động đặc điểm chung của các lĩnh vực ứng dụng này là yêu cầu sóng vô tuyến sử dụng phải có bước sóng ngắn (cỡ dm) hay là phải có tần số cao (dải GHz) được gọi là các sóng siêu cao tần Khi thực hiệntruyền tin với cự ly xa, hoặc thực hiện truyền tin tới vùng có địa hình phức tạp như hải đảo, vùng xa xôi, vùng núi, hay khi yêu cầu truyền thông với vùng phủ sóng rộng qua các hệ thống thông tin, bài toán nâng cao công suất phát của tín hiệu luôn

là một bài toán khó và phức tạp

Năng lượng là sản phẩm quý giá và có tính khan hiếm trong hệ thống thông tin Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống thường bị chi phối bởi bộ khuếch đại công suất siêu cao tần vì vậy việc nâng cao hiệu quả của mạch khuếch đại công suất siêu cao tần là nhu cầu ngày càng cấp thiết Để bộ khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc hiệu quả nhất thì nó phải làm việc với hiệu suất cao và không làm méo tín hiệu

Chính vì vậy, dựa trên kiến thức đã được giảng dạy, học tập tại Học Viện Kỹ

Thuật Quân Sự em đã chọn đồ án “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc cho

các bộ khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần” Nhiệm vụ của đồ án này là

nâng cao hiệu suất, độ tuyến tính của bộ KĐCS bán dẫn siêu cao tần tại 3 GHz Bộ KĐCS sử dụng bóng bán dẫn GaN HEMT thế hệ mới do nhà sản xuất WIN

Semiconductor của Đài Loan cung cấp

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Huy Hoàng và Thầy giáo

TS Lương Duy Mạnh đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án này

Do vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ đối với em, cùng với việc gặp nhiều khó khăn về tài liệu Dù đã cố gắng hoàn thiện, nhưng đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên quan tâm đến đề tài này để em hoàn thiện đề tài hơn

Sau đây em xin trình bày nội dung của đồ án này

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG, TÍCH CỰC 1.1 Phần tử thụ động

Các phần tử thụ động không tạo ra năng lượng, nhưng có thể lưu trữ hoặc tiêu hao nó Phần tử thụ động là các thành phần chính được sử dụng trong các thiết

bị điện tử như điện trở, cuộn cảm, tụ điện và máy biến áp được yêu cầu để xây dựng bất kỳ mạch điện nào Như tên gọi của chúng, các phần tử thụ động là các thành phần điện không yêu cầu bất kỳ hình thức năng lượng điện nào để hoạt động,không giống như các phần tử tích cực như bóng bán dẫn, hoạt động của bộ khuếch đại và mạch tích hợp cần được cung cấp năng lượng để làm cho chúng hoạt động Phần tử thụ động không cung cấp độ lợi, khuếch đại hoặc tính định hướng cho mạch mà thay vào đó cung cấp độ suy giảm vì chúng luôn có hệ số khuếch đại nhỏ hơn một Do đó, các phần tử thụ động không thể tạo dao động hoặc khuếch đại tín hiệu điện Các phần tử thụ động có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết nối với nhau trong một mạch, trong một chuỗi hoặc kết hợp song song để điều khiển các mạch hoặc tín hiệu phức tạp, tạo ra sự dịch pha cho tín hiệu hoặc để cung cấp một số dạng phản hồi nhưng chúng không thể khuếch đại tín hiệu bởi hệ số khuếch đại không lớn hơn một

Trong thực tế, các phần tử thụ động tiêu thụ năng lượng trong một mạch điệnhoặc điện tử vì chúng hoạt động như các bộ suy giảm không giống như các phần tử hoạt động tạo ra hoặc cung cấp năng lượng cho mạch Phần tử thụ động là các thành phần hai chiều, nghĩa là chúng có thể được kết nối theo cách xung quanh trong một mạch trừ khi chúng có một dấu phân cực cụ thể như tụ điện Cực tính củađiện áp trên chúng được xác định bởi dòng điện thông thường từ cực dương đến cực âm Trong cả lý thuyết mạch điện và các phần tử thụ động phân tích mạch thường được gọi là các phần tử điện, vì vậy chúng ta hãy xem xét ngắn gọn về ba

trong số các phần tử điện thụ động cơ bản phổ biến nhất là Điện trở, Điện dung và Điện cảm

Ở tần số siêu cao tần, bước sóng nằm trong phạm vi mm và cm và các thành phần phân bố có thể được xây dựng có các tính năng đặc biệt liên quan đến ghép, sóng truyền và lưu trữ năng lượng trường điện từ (EM) Trong chương này, chúng

ta xem xét nhiều thành phần thụ động hữu ích trong thiết kế RF và siêu cao tần Trong nhiều trường hợp, có thể phát triển các phần tử tập trung tương đương của các phần tử phân bố bằng cách sử dụng mô hình bậc thang LC của đường truyền

Một trong những yếu tố phân biệt RFIC (Radio frequency integrated circuit) với RF (Radio frequency) khác và hầu hết công nghệ siêu cao tần là việc sử dụng các phần tử tập trung thay vì các phần tử phân bố Các mạch RF yêu cầu nhiều phần tử thụ động cho các mạng phù hợp, cuộn cảm RF cho sai lệch (nghĩa là, cuộn cảm chặn RF nhưng cung cấp kết nối DC không mất dữ liệu), điều chỉnh hài hòa và

để đảm bảo sự ổn định ở tần số dưới tần số hoạt động Các phần tử tập trung chính trên RFIC là điện trở, tụ điện và cuộn cảm Một trong những tính năng khác biệt của RFIC là sử dụng tín hiệu vi sai cho gần như tất cả các tín hiệu tương tự trên chip và không chỉ cho các đường dẫn RF Điều này là cần thiết để khắc phục nhữnghạn chế của mạch dựa trên MOSFET silicon, bao gồm cả ghép nối nền quan trọng

1.1.1 Tụ điện On-chip

Có 3 dạng chính của tụ điện on-chip:

(a) Tụ điện kim loại-điện môi-kim loại sử dụng quá trình kim loại hóa kết nối.(b) Tụ điện bán dẫn-kim loại-điện môi về cơ bản là một bóng bán dẫn MOS.(c) Tụ điện bán dẫn tụ điện hoặc điện dung của tiếp giáp pn phân cực ngược hoặc bộ rào chắn Schottky

Trong công nghệ silicon, người ta thường đề cập đến hai loại tụ điện là tụ điện kim loại oxit kim loại (MOM) (hoặc tụ điện kim loại cách điện kim loại

(MIM)) và tụ điện bán dẫn oxit kim loại (MOS) Tụ điện MOM là tụ điện bản song

song Hình 1.1a nhưng nhiều mức độ màng kim loại có thể được sử dụng để tăng mật độ điện dung, các giá trị điện dung tương đối thấp từ 500 fF/ μ m2 có sẵn do

độ dày lớp điện môi lớn từ 0,5 μm đến 1 μm giữa các lớp kim loại Độ dày này

là bắt buộc trong các trường hợp kết nối thông thường để giảm thiểu khớp nối giữa các kết nối với nhau, do đó không có khả năng thay đổi nhiều

Một tụ điện MOM thay thế có sẵn bằng cách sử dụng các sắp xếp bên của các kết nối trên cùng một lớp Hình 1.1b, đó là cấu trúc kim loại liền kề được ngăn cách bởi một khe nhỏ nằm ngang Một lần nữa, có hai kết nối riêng biệt và có thể thu được sự phân tách kim loại nhỏ hơn bằng phương pháp quang khắc so với độ dày điện môi có sẵn Tuy nhiên, mật độ điện dung chỉ tăng theo hệ số khoảng ba Các giá trị có thể thu được bằng cách sử dụng tụ điện kỹ thuật số (IDC) Hình 1.1c

Có hai loại tụ điện MOM, bản song song và mặt bên, độc lập với điện áp, có hệ số nhiệt độ rất thấp và có dung sai chế tạo ban đầu từ 20% đến 30% Tại IF và có khả năng tại RF, nhiều thiết kế tương tự như (bộ lọc tích cực) sử dụng điểu chỉnh độ dẫn điện để đạt được độ chính xác của đáp ứng tần số Trong trường hợp này, dung sai điện dung có thể được bù

Các tụ MOS sử dụng một bóng bán dẫn MOS có điện dung bản song song giữa cực cổng của một bóng bán dẫn MOS và một kênh bị đảo ngược Cực máng

và cực nguồn được liên kết trong cấu hình này và sự tách biệt giữa các dây dẫn mỏng, là độ dày oxide của cực cổng Điều này dẫn đến giá trị cao của diện dung, mặc dù với sự phụ thuộc điện áp yếu Mặt tiếp giáp điện dung được thực hiện như điện dung của một tiếp giáp bán dẫn phân cực ngược Công suất này khá lớn,

nhưng có sự phục thuộc điện áp lớn, sự phụ thuộc điện áp này có thể được nhận ra các mạch có thể điều chỉnh

là giảm độ nhạy với các kết nối đính kèm

2 2 0

n a L

tần số cần thiết của cuộn cảm trong thiết kế Các trường được tạo ra bằng cuộn cảmxoắn ốc xuyên qua chất nền, khi một mặt phẳng mặt đất nằm ở một khoảng cách tương đối ngắn, dòng điện xoáy trên mặt phẳng đất làm giảm độ tự cảm có thể thu được Dòng điện xoáy trong dây dẫn mặt đất xoay theo hướng ngược với hướng của chính vòng xoắn ốc (ngược chiều kim đồng hồ) Các dòng điện cảm ứng này đitheo một đường dẫn dưới các dây dẫn xoắn ốc và giống như với dòng điện xoáy của mặt phẳng đất, làm giảm độ tự cảm đạt được Tuy nhiên, điện trở của các dòng

là không đổi Thật khó để đạt được Qs (tỷ lệ năng lượng dự trữ so với năng lượng tiêu tán trong mỗi chu kỳ) lớn hơn khoảng 10 GHz Điện dung ký sinh cả từ đường dây xuống đất và giữa các xoắn ốc dẫn đến sự cộng hưởng của cấu trúc điện cảm trên chip và do đó hạn chế tần số hoạt động

1.2 Phần tử tích cực

Quy luật chung của phần tử tích cực là làm cho biên độ của tín hiệu đầu vào trở thành một tín hiệu hữu ích có biên độ lớn hơn ở đầu ra Một phần tử tích cực là bất kì loại thành phần mạch nào có khả năng điều khiển dòng điện Để một mạch được gọi đúng nghĩa là điện tử, nó phải chứa ít nhất một thiết bị tích cực Các phần

tử tích cực bao gồm bóng bán dẫn, ống chân không, bộ chỉnh lưu điều khiển silicon(SCRs) và TRIACs Lợi ích thiết thực của các thiết bị tích cực là khả năng khuếch đại của chúng Trong các mạch RF và siêu cao tần, bộ khuếch đại sẽ tăng công suấtcủa tín hiệu RF bằng cách chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC Bộ khuếch đại

có thể được tối ưu hóa cho tạp âm thấp, hệ số khuếch đại trung bình đến cao cho công suất đầu ra Một khía cạnh phổ biến quan trọng là giảm thiểu tạp âm, tối đa hóa hiệu suất của việc chuyển đổi công suất sang RF và giảm thiểu tiêu hao chèn Mạch phối hợp và bộ ghép lai là các khía cạnh quan trọng của thiết kế mạch

khuếch đại Sự thay đổi đáng kể nhất trong kỹ thuật RF và siêu cao tần là tầm quan trọng ngày càng tăng của các mạch vi sai, một phần điều này là do chúng được thựchiện rất thuận tiện trong công nghệ silicon Nó cũng là kết quả của việc sử dụng

công nghệ nguyên khối và sự trưởng thành của công nghệ bóng bán dẫn đến các thành phần tích cực RF.

1.2.1 Các loại bóng bán dẫn

Transistor là thiết bị bán dẫn có 3 đầu cực (và đôi khi còn nhiều hơn) Đầu cực thứ ba cho phép dòng điện đầu ra được điều khiển bằng tín hiệu đầu vào tương đối nhỏ và thấp Trong các bộ khuếch đại, bóng bán dẫn được sử dụng để đạt được

sự khuếch đại dòng, khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất Thường xuyên đạtđược công suất là mục tiêu trong thiết kế RF và siêu cao tần Hầu hết các bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách sử dụng chất bán dẫn silicon hoặc hợp chất Gallium-arsenide (GaAs), Indium-phosphide (InP) hoặc Gallium-nitride (GaN) Tuy nhiên

xu hướng áp đảo là sử dụng công nghệ silicon vì mật độ tích hợp cao hơn nhiều có thể, với công nghệ bán dẫn hỗn hợp chỉ sử dụng khi nó mang lại lợi thế đặc biệt như công suất cao, hiệu suất tạp âm tốt hoặc chuyển đổi công suất DC hiệu quả sang công suất RF Có ba loại bóng bán dẫn cơ bản: Transistor lưỡng cực BJT, Transistor hiệu ứng trường JFET, Transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện IGFET và Transistor bán dẫn oxit kim loại MOSFET, trong đó loại IGFET phổ biến nhất

1.2.1.1 Nguyên tắc cơ bản của BJT và HBT

Một bóng bán dẫn lưỡng cực có 3 vùng bán dẫn được gọi là collector (C), base (B), emitter (E) thể hiện trong mặt cắt của BJT Hình 1.2a Một BJT npn có chất bán dẫn loại n ở cực C và E, chất bán dẫn loại p ở cực B Trong bóng bán dẫn này, ý nghĩa tích cực là lưu lượng dòng từ cực C qua cực B rồi đến cực E xem Hình1.2b và các sóng mang chiếm ưu thế trong miền cực B của bán dẫn loại p là các electron và do đó nó được gọi là thiết bị sóng mang

Hình 1 2: Chi tiết về BJT; (a) Mặt cắt của BJT; (b) Lưu lượng dòng của BJT

Dòng collector phụ thuộc vào số lượng sóng mang được đưa vào miền cực B

từ đầu cực B Trong BJT pnp, cực C, cực B và cực E tương ứng là loại p, loại n và loại p, các sóng mang đa số trong cực B là các lỗ, lưu lượng dòng từ cực E qua cực

B đến cực C Nếu miền cực B mỏng thì dòng colector I C lớn hơn nhiều so với

I B với I C=β F I B với β F được gọi là mức tăng dòng chuyển tiếp và thường

có giá trị vài trăm, chìa khóa cho hiệu suất cao là một miền B mỏng Khi nhận ra trong silicon, một bóng bán dẫn bán dẫn lưỡng cực gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực BJT và trong công nghệ bóng bán dẫn hỗn hợp một bóng bán dẫn lưỡng cực có cấu trúc dị thể HBT (heterostructure bipolar transistor)

1.2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của MOSFET

Có một số loại FET và MOSFET là phổ biến nhất Với tất cả các FET, có một kênh giữa hai thiết bị đầu cuối, cực nguồn và cực máng và một trường được tạo ra bởi một điện áp ở thiết bị cuối thứ ba là cực cổng, để điều khiển mặt cắt ngang của kênh và đôi khi là số lượng sóng mang trong kênh và do đó kiểm soát được lưu lượng dòng giữa cực máng và cực nguồn Với một số FET, kênh không tồn tại cho đến khi một cực cổng được đặt vào và kéo theo kênh, và đây là chế độ FET tăng cường Đôi khi các sóng mang nằm trong kênh ngay cả khi không có trường đặt vào và điện áp cực cổng sẽ tăng cường tiết diện của kênh hoặc đóng nó lại Thông thường điện áp cực cổng được sử dụng để giảm dòng dẫn và loại FET này được gọi là FET chế độ cạn kiệt

(a) (b) (c)

Hình 1 3: Chi tiết về MOSFET; (a) Hình ảnh 3 chiều của MOSFET; (b) Mặt cắt

ngang của MOSFET; (c) Ba miền hoạt động của MOSFET

MOSFET nâng cao là một thiết bị tương đối đơn giản để chế tạo và là loại nhỏ nhất trong các bóng bán dẫn Đây là công nghệ ưa thích để tích hợp mật độ cao Với hình ảnh 3 chiều và mặt cắt ngang của MOSFET được thể hiện trong Hình1.3b và 1.3c cho một bóng bán dẫn nMOS Một MOSFET có các kết nối kim loại hoặc polysilicon tại cực máng (D), cực nguồn (S) và cực cổng (G) MOSFET gần như luôn luôn là silicon, nhưng có thể là vật liệu GaN Các kết nối giữa cực nguồn

và cực máng được pha tạp cao cung cấp một tiếp xúc ohmic tốt hơn là tạo ra một rào cản Schottky (một rào cản Schottky xảy ở bề mặt đột ngột giữa kim loại và chấtbán dẫn pha tạp, và tạo thành một diode chỉnh lưu gọi là diode Schottky) Cực cổngkhông tiếp xúc trực tiếp với chất bán dẫn mà được ngăn cách bởi một lớp oxit mỏng Không có điện áp được đặt vào cực cổng, không có sóng mang bên dưới cựccổng oxit mà có thể dẫn dòng giữa cực nguồn và cực máng Một điện áp ở cực cổng là cần thiết để kéo sóng mang đến miền kênh, tạo thành một kênh dẫn Đó là, một điện áp được đặt vào cực cổng để tạo ra điện trường bao gồm các electron tạo thành một kênh dẫn ngay dưới lớp oxit Quá trình này được gọi là đảo ngược Chiều dài của kênh được kí hiệu là L eff nhỏ hơn chiều dài cực cổng L vì cực nguồn và cực máng có độ pha tạp cao phải mở rộng bên dưới cực cổng để đảm bảo tiếp xúc tốt với kênh cảm ứng Số lượng sóng mang trong kênh được điều khiển bởiđiện áp cực cổng Tần số hoạt động cao hơn thu được bằng cách giảm L eff Ba miền hoạt động riêng biệt, được xác định trong Hình 1.5 Trong miền tuyến tính,

dòng drain-soure I DS tiếp tục tăng khi điện áp VDS tăng, I DS phụ thuộc vào cả

VDS và VGS , do đó miền tuyến tính đôi khi được khai thác trong các bộ trộn Trong miền bão hòa IDS gần như độc lập với VDS và hầu như chỉ được kiểm soát bởi VGS

Bộ khuếch đại hoạt động trong miền bão hòa Miền cắt là khi không có dòng cực máng và FET đặc biệt tốt trong miền cắt và do đó tạo ra một công tắc điều khiển điện áp rất tốt Trong thiết kế, chế độ hoạt động cơ bản phải được hiểu một cách trực quan và do đó cần có các mô hình và phương trình đơn giản Ngược lại, việc

mô phỏng mạch đòi hỏi một mô hình chi tiết nắm bắt các hiệu ứng vật lí tinh tế khi

nó được sử dụng để xác nhận và tối ưu hóa một thiết kế Một mô hình của

MOSFET được sử dụng trong việc mô phỏng mạch được thể hiện trong Hình 1.4

Hình 1 4: Các loại MOSFET; (a) MOSFET loại p chế độ tăng cường; (b) MOSFET loại n chế độ tăng cường; (c) MOSFET loại p chế độ cạn kiệt; (d)

MOSFET loại n chế độ cạn kiệt

Mô hình được trình bày gọi là mô hình MOSFET cấp 3 và nắm bắt hoạt động

cơ bản của MOSFET cũng như hiệu ứng kí sinh điện dung Các mô hình được phát triển bằng cách sử dụng cái nhìn sâu sắc của vật lý vào hoạt động của chất bán dẫn với các thỏa thuận được thực hiện để hỗ trợ mô hình giới hạn của các mô phỏng mạch Tất cả các mô hình thiết bị bán dẫn không chỉ MOSFET, yêu cầu mở rộng

dữ liệu đo và có độ chính xác hạn chế Do đó thiết kế, chế tạo và chu trình thử nghiệm là cực kì quan trọng để thực hiện các mạch bán dẫn

Hình 1 5: Đặc tính điện áp – dòng của MOSFET chế độ tăng cường

Trong miền bão hòa (Hình 1.6) hoạt động cơ bản của MOSFET được mô tả bằng phương trình:

1

eff

DS

L L

eff ox

C W

thường, nhiệt độ tăng thì dòng điện giảm Nó được ứng dụng để khuếch đại, tạo dao động và phối hợp trở kháng.

1.2.1.3 Nguyên tắc cơ bản của MESFET, HEMT và JFET

MESFET và HEMT là các loại JFET được chế tạo bằng cách sử dụng chất bán dẫn hỗn hợp, trong đó JFET thường chỉ đề cập đến thiết bị silicon Độ dày của kênh dẫn được thay đổi bằng độ dày của miền suy giảm của đường tiếp giáp Với JFET silicon, điện áp đặt vào cực cổng sẽ thay đổi độ lớn phân cực ngược và độ dày miền suy giảm Xu hướng tăng giảm phân cực ngược làm giảm mặt cắt ngang của kênh mang dòng điện Một JFET trông giống như một độ dẫn điện thay đổi Miền điều khiển của FET được tạo ra tại mặt tiếp giáp pn phân cực ngược ở đầu cuối của cực cổng Thuật ngữ JFET thường được dùng để chỉ mặt tiếp giáp silicon của FET Với chất bán dẫn hỗn hợp như GaAs, mặt tiếp giáp pn silicon của JFET được thay thế bằng mặt tiếp giáp rào chắn Schottky và bóng bán dẫn được gọi là MESFET Một thiết bị tương tự như MESFET là bóng bán dẫn linh động điện tử cao HEMT (The high electron mobility transistor), trong đó điện trường được kết hợp tại mặt tiếp giáp của hai vật liệu bán dẫn hỗn hợp với các khe bằng khác nhau tạo thành kênh thay vì miền pha tạp HEMT còn được gọi là FET dị thể (HFET – Heterostructure FET)

Tuy nhiên chúng có một số đặc điểm cơ bản như sau: Trở kháng vào là vô cùng lớn, cho phép khuếch đại nguồn tín hiệu vào rất nhỏ, mức nhiễu thấp (ở tần số

10 GHz, công suất lớn nhất của nó có thể đạt tới 10W) Thích hợp với băng sóng

mm vì nó có chiều dày vùng bazer là rất hẹp, hiệu suất co hơn hẳn so với JFET và MOSFET Đặc biệt là thiết bị bán dẫn HEMT được úng dụng tương đối rộng rãi với nguyên tắc hoạt động biến đổi ion cao, phát huy được công dụng không chỉ để làm phần tử khuếch đại mà trong nhiệt độ phòng nó còn là những mạch logic tốc độcao ở dải tần số siêu cao tần

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương 1 chúng ta thấy được vai trò quan trọng của thiết bị thụ động

và tích cực đối với thiết kế RF và siêu cao tần Chương này đã đưa ra khái quát về thiết bị thụ động và tích cực và từ đó ta có thể xây dựng nghiên cứu, phát triển tạo

ra sự khác biệt trong thiết kế các thiết bị và hệ thống siêu cao tần

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BÁN DẪN

SIÊU CAO TẦN 2.1 Khái niệm, ứng dụng, vai trò của kĩ thuật siêu cao tần

Công nghệ tần số vô tuyến (RF) và kĩ thuật siêu cao tần bao gồm các trạng thái của các tín hiệu dòng điện xen kẽ với tần số trong phạm vi từ (106-109) Hz

Tần số RF nằm trong khoảng tần số cao (VHF) (30-300) MHz đến tần số siêu cao (UHF) (300-3000) MHz

Trong khi thuật ngữ SCT thường được sử dụng cho tần số từ (3-300) GHz.Ứng dụng của kỹ thuật siêu cao tần: Chính tần số cao và bước sóng ngắn củanăng lượng siêu cao tần tạo ra sự khác biệt trong phân tích và thiết kế các thiết bị

và hệ thống siêu cao tần, những khía cạnh tương tự này mang lại cơ hội duy nhất cho việc ứng dụng hệ thống siêu cao tần Những cân nhắc sau đây có thể hữu ích trong thực tế:

 Độ lợi anten tỉ lệ thuận với kích thước điện của anten Ở tần số cao hơn, có thể thu được nhiều anten hơn cho một kích thước anten vật lý nhất định và điều này có hệ quả quan trọng khi thực hiện các hệ thống siêu cao tần

 Băng thông rộng hơn (liên quan trực tiếp đến tốc độ dữ liệu) có thể được nhận ra ở tần số cao hơn Băng thông 1% ở 600 MHz là 6 MHz, có thể cung cấp tốc độ dữ liệu khoảng 6 Mbps, trong khi ở 60 Ghz băng thông 1% là 600 MHz, cho phép tốc độ dữ liệu là 600 Mbps

 Tín hiệu siêu cao tần truyền theo đường ngắn và không bị uốn cong bởi tầng điện ly như các tín hiệu tần số thấp hơn Do đó, các liên kết truyền thông vệ tinh và mặt đất với công suất rất cao là có thể, với việc tái sử dụng tần số tại các địa điểm xa nhất

 Vùng phản xạ hiệu quả của mục tiêu radar thường tỉ lệ thuận với điện của mục tiêu Thực tế này, cùng với các đặc tính tần số của mức tăng anten, thường làm cho tần số siêu cao tần được ưa thích cho các hệ thống radar.

 Nhiều cộng hưởng phân tử, nguyên tử và hạt nhân xảy ra ở tần số siêu cao tần, tạo ra nhiều ứng dụng độc đáo trong lĩnh vực khoa học cơ bản, viễn thám, chuẩn đoán và điều trị y tế

2.2 Khái quát chung về bộ khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần

Hình 2 1: Sơ đồ vị trí của bộ khuếch đại công suất trong hệ thống thông tin

• Mod: Điều chế

• IF: Trung tần

• LO: Bộ dao động ngoại sai

• PA: Bộ KĐCS

• LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp

• Dem: Giải điều chế

Bộ khuếch đại công suất được sử dụng trong các giai đoạn cuối của máy phátradar và vô tuyến để tăng mức công suất bức xạ Các công suất đầu ra điển hình có thể ở mức 100-500 mW cho các hệ thống liên lạc dữ liệu hoặc thoại di động, hoặc trong phạm vi 1-100 W cho các hệ thống vô tuyến điểm hoặc radar Những cân nhắc quan trọng đối với các bộ khuếch đại công suất RF và siêu cao tần là hiệu suất, hệ số khuếch đại, độ méo xuyên điều chế và hiệu ứng nhiệt Các bóng bán dẫnđơn có thể cung cấp công suất đầu ra là 10-100 W ở tần số UHF, trong khi các thiết

bị ở tần số cao hơn thường bị giới hạn ở công suất đầu ra nhỏ hơn 10 W Có thể sử dụng nhiều kỹ thuật kết hợp công suất khác nhau với nhiều bóng bán dẫn Do những cải tiến và đổi mới mạnh mẽ trong công nghệ xảy ra từ những năm 1970, hầu hết các bộ khuếch đại RF và SCT ngày nay đều sử dụng các thiết bị bóng bán dẫn như SiBJT, GaAs hoặc SiGe HBTs, SiMOSFET, GaAs MESFET hoặc GaAs hoặc GaAs HEMTs Bộ khuếch đại bóng bán dẫn rất chắc chắn, chi phí thấp, đáng tin cậy và có thể dễ dàng tích hợp trong cả mạch tích hợp lai và nguyên khối Bộ khuếch đại bóng bán dẫn có thể được sử dụng ở tần số vượt quá 100 GHz trong một loạt các ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ, độ nhiễu thấp, băng thông rộng có ích cho các ứng dụng công suất rất cao hoặc tần số rất cao

2.2.1 Thiết kế bộ khuếch đại bán dẫn siêu cao tần

Thiết kế bộ khuếch đại bằng bóng bán dẫn sẽ chủ yếu dựa vào các đặc tính đầu cuối của bóng bán dẫn, được thể hiện bằng các tham số tán xạ Chúng ta sẽ bắt đầu với một số định nghĩa chung về hệ số khuếch đại công suất mạng 2 cửa rất hữu ích cho thiết kế khuếch đại và sau đó thảo luận về chủ đề ổn định

Hình 2 2: Một mạng 2 cửa với trở kháng nguồn và tải

Hãy xem xét một mạng 2 cửa tùy ý, được đặc trưng bởi ma trận tán xạ [S] được kết hợp với trở kháng nguồn và tải (ZS và ZL) Chúng ta có thể rút ra các biểu thức cho 3 loại khuếch đại công suất theo các tham số tán xạ của mạng 2 cửa và các

hệ số phản xạ ( Γ S và Γ L ) của nguồn và tải:

 Hệ số khuếch đại công suất: G = P L

P¿ là tỉ số giữa công suất tiêu hao trong tải ZL so với công suất được cung cấp cho đầu vào của mạng 2 cửa Hệ số

KĐ này không phụ thuộc vào trở kháng nguồn ZS, mặc dù đặc điểm của 1 số thiết bị hoạt động có thể phụ thuộc vào ZS

 Hệ số KĐCS có ích: GA = P avn

P avs là tỉ lệ công suất khả dụng từ mạng 2 cửa

so với công suất khả dụng từ nguồn, điều này giả định sự kết hợp giữa nguồn

và tải, và phụ thuộc vào trở kháng vào ZS, nhưng không phụ thuộc vào trở kháng tải ZL

 Hệ số KĐ bộ chuyển đổi công suất: GT = P L

P avs là tỉ lệ công suất được cungcấp cho tải với công suất có sẵn từ nguồn, điều này đều phụ thuộc vào cả ZS

và ZL

Các thiết bị này khác nhau chủ yếu ở cách kết hợp giữa nguồn và tải với thiết

bị 2 cửa Nếu cả đầu vào và đầu ra đều được kết hợp với thiết bị 2 cửa thì hệ số khuếch đại sẽ tăng tối đa và G = GA= GT

Cho đến nay ta chỉ xem xét các bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ, trong đó công suất tín hiệu đầu vào đủ thấp để bóng bán dẫn có thể được coi là hoạt động như mộtthiết bị tuyến tính Các tham số tán xạ của các thiết bị tuyến tính được định nghĩa

rõ ràng và không phụ thuộc vào mức công suất đầu vào hoặc trở kháng tải đầu ra, một thực tế rất đơn giản là thiết kế của bộ khuếch đại là khuếch đại âm thanh Đối với công suất đầu vào cao, các bóng bán dẫn không hoạt động tuyến tính Trong trường hợp này, các trở kháng nhìn thấy ở đầu vào và đầu ra của bóng bán dẫn sẽ

phụ thuộc vào mức công suất đầu vào, và điều này làm phức tạp đáng kể việc thiết

kế các bộ khuếch đại công suất

2.2.1.1 Khái niệm phi tuyến

Một điều khá phổ biến đối với các nhà thiết kế mới là tự hỏi chính xác tại thời điểm nào một thiết bị tín hiệu nhỏ không còn được phân loại là Tín hiệu nhỏ,

và đi vào vương quốc của “Tín hiệu lớn”, hay trên thực tế, sự phân biệt cần phải được thực hiện ở tất cả Mặc dù không có phân định rõ ràng, sự khác biệt khá quan trọng bởi vì trước năm 1985, phân tích tín hiệu lớn hiếm khi được áp dụng cho các mạch vì khó khăn và thiếu công cụ mô phỏng Sự phân tích phong phú mà chúng ta

đã đề cập cho đến nay, xoay quanh phân tích tham số S và đặc tính tuyến tính tương đương của các thiết bị, rất dễ bị ứng dụng đến mức ngày nay chúng ta cố gắng áp dụng kiến thức này cho các thành phần có tín hiệu lớn rõ ràng trong hoạt động của chúng Thiết kế dao động là một trong những loại linh kiện có thể hưởng lợi từ các kỹ thuật tín hiệu nhỏ Các tham số S được dựa trên đại số ma trận và bổ sung tuyến tính của sự cố và điện áp phản xạ Do đó, theo định nghĩa, chúng là một

kỹ thuật tuyến tính để mô tả thiết bị Thiết bị được mô tả bất biến bất với cường độ (hoặc pha) của sự cố và điện áp phản xạ Nỗ lực áp dụng chúng cho một thiết bị rõ ràng không thuộc loại này được gọi là phân tích bán tuyến tính Chúng ta cần phải hiểu rõ ý nghĩa của nó đối với mạch phi tuyến và tác động của nó đối với hoạt độngcủa thành phần Giả sử chúng ta mô tả hệ thống bằng một hộp đen như trong Hình 2.2, với tín hiệu đầu vào x(t) và tín hiệu đầu ra tương ứng y (t)

Hình 2 3: Một mô tả đặc trưng của một mạch phi tuyến

Các kỹ sư thường nói hệ thống là phi tuyến nếu công suất đầu ra là hàm phi tuyến của công suất đầu vào Tuy nhiên, chúng ta nên chính xác hơn Nói một cách chính xác, nếu x và y đề cập đến điện áp hoặc dòng điện tại các cực của hệ thống, thì hệ thống là phi tuyến nếu điện áp đầu ra hoặc dòng điện là một hàm phi tuyến của dòng điện áp đầu vào để mô tả nhiều hơn, nếu chồng chất tuyến tính không được áp dụng Một định nghĩa như vậy ngay lập tức loại trừ việc áp dụng các tham

số trở kháng hoặc tiếp nhận để mô tả hệ thống, vì đại số ma trận khi đó ngụ ý yêu cầu hình thành các tổ hợp tuyến tính của dòng điện hoặc điện áp tại các cổng được chọn Chúng ta có thể quan sát hiệu ứng này bằng cách thực hiện quét điện bằng máy phân tích mạng Công suất đầu ra so với tần số ở mức công suất đầu vào 10

mW cho bộ khuếch đại như trong Hình 2.4a, trong đó chúng tôi giả sử rằng 10 mW

là công suất đầu vào thấp cho bộ khuếch đại này

Hình 2 4: Đặc tính công suất và hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại; (a) P¿ =

10 mW tín hiệu nhỏ; (b) P¿ = 50 mW bộ khuếch đại đã bão hòa; (c) Đặc tính

của hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại

Khi chúng ta tăng công suất đầu vào lên 50 mW, công suất đầu ra quan sát sẽtăng lên công suất trong Hình 2.4b Trong trường hợp này, công suất đầu ra không tăng theo cùng một tỷ lệ và thiết bị được gắn mác phi tuyến tính được vẽ so với công suất đầu vào, như trong Hình 2.4c, cho thấy một vùng có mức tăng không đổi,

vùng nén khuếch đại và vùng bão hòa trong đó công suất đầu ra vẫn không đổi Trong khu vực có mức tăng không đổi, thiết bị được gọi là dòng tuyến tính vì công suất đầu ra tăng tuyến tính với công suất đầu vào Khi thiết bị nén, mức tăng của nóbắt đầu giảm cho đến khi, trong vùng bão hòa, bất kỳ sự gia tăng nào nữa của công suất đầu vào sẽ không làm tăng thêm công suất đầu ra Trong bão hòa, mức tăng giảm 1 dB cho mỗi mức tăng 1 dB của công suất đầu vào.

Là các kỹ sư RF, thường thoải mái suy nghĩ về nội dung phổ của tín hiệu đầu

ra hơn là sóng của nó Tuy nhiên, phi tuyến thường được biểu thị dưới dạng các hàm của các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện liên quan đến các thiết bị đầu cuối Ví dụ, nếu hộp đen trong Hình 2.3 là một hệ phi tuyến, nó có thể được đặc trưng bởi một đặc tính truyền liên quan đến đầu ra cho đầu vào bằng:

Y(t) = N [x(t)]

Trong đó Ν là hàm phi tuyến Việc mở rộng đơn giản Ν như một chuỗi Taylor sẽ dẫn đến các thuật ngữ như x(t)2 Đối với các đầu vào định kỳ, như được biểu thị bằng phổ đầu vào trong Hình 2.3, hệ quả của đặc tính truyền phi tuyến này

là các thành phần tần số mới sẽ được tạo ra, như được minh họa ở đầu ra trong Hình 2.3 Pha của tín hiệu đầu ra sẽ cũng bị ảnh hưởng, tùy thuộc vào cường độ và pha của tín hiệu đầu vào Chúng tôi đã thảo luận về điều này khi nó được áp dụng cho méo xuyên điều chế trong radio

Nói chung, đối với bất kỳ hệ phi tuyến nào, hậu quả của phi tuyến tác động lên tín hiệu đầu vào định kỳ sẽ là tín hiệu đầu ra có các thành phần tần số mới đượctạo Như chúng ta sẽ thấy, ngay cả với các thành phần dòng một chiều mới chảy trong mạng thiên áp Các hiệu ứng như điều chế chéo (chuyển điều chế từ sóng mang này sang sóng mang khác) và xuyên điều chế (tạo ra sóng mang mới trong các kênh liền kề) cũng phát sinh Những ảnh hưởng như vậy thường được gọi là biến dạng Chúng ta sẽ mô hình biến dạng chủ yếu bằng cách xem mối quan hệ biên độ và pha của tín hiệu đầu ra như là một hàm của biên độ và pha của tín hiệu

đầu vào Xem xét hệ thống được biểu thị bằng h(t) được hiển thị trong Hình 2.4, trong đó một xung sóng vuông định kỳ đi qua hệ thống và được chuyển thành tín hiệu như được hiển thị

Hình 2 5: Một chuỗi xung định kỳ đi qua một hệ thống tuyến tính và trải qua biến

dạng

Nếu các tín hiệu như vậy được theo dõi trên máy hiện sóng, người quan sát chắc chắn sẽ đề cập đến đầu ra bị phân tách Tuy nhiên, nếu tín hiệu đầu vào được tăng gấp đôi về biên độ và tín hiệu đầu ra được theo sau một cách trung thực bằng cách tăng gấp đôi biên độ, thì hệ thống vẫn rõ ràng tuyến tính theo định nghĩa ở trên Tất nhiên, một bộ lọc đơn giản bao gồm cuộn cảm và tụ điện có thể được sử dụng để thực hiện h(t) Cái gọi là méo này, là biến dạng tuyến tính, là kết quả của

sự thay đổi cường độ tương đối của từng thành phần tần số của tín hiệu được áp đặtbởi đáp ứng tần số của bộ lọc Nó cũng là kết quả của các thành phần tần số khác nhau của xung lấy các thời gian khác nhau để truyền qua bộ lọc Tuy nhiên, đây không phải là hiệu ứng phi tuyến vì sự chồng chất vẫn được áp dụng và không có thành phần tần số mới nào được tạo ra Biến dạng tuyến tính không có sự phụ thuộcbiên độ hoặc pha vào tín hiệu đầu vào, và thay vào đó được đặc trưng bởi mức tăngtín hiệu nhỏ và độ trễ pha (hoặc độ trễ nhóm) theo tần số

Sự gia tăng của sóng hài được mô tả bằng cách mô hình hóa dòng điện đầu

ra của bóng bán dẫn như một chuỗi công suất như là một hàm của điện áp đầu vào Các bậc thứ tự cao hơn của bộ điều khiển cao hơn bao gồm các hài bậc hai và cao hơn của cơ bản, và trong phạm vi công suất hẹp mà chuỗi công suất là hợp lệ, và đãchỉ ra rằng sóng hài thứ hai sẽ tăng nhanh gấp đôi với công suất đầu vào làm cơ

bản Tuy nhiên, Hình 2.6a cho thấy bộ khuếch đại đi qua một điểm cắt, trong đó các sóng hài thậm chí thực sự rơi trong một khoảng thời gian ngắn mà công suất đầu vào được tăng lên Điều này không thể được giải thích đơn giản bằng cách mở rộng độ dẫn điện như một chuỗi năng lượng bị cắt cụt, thay vào đó, mô hình cần được mở rộng để tính đến các hiệu ứng bão hòa và bật tắt của bóng bán dẫn quá mức

Hình 2 6: Sự phụ thuộc của; (a) công suất đầu ra; (b) dòng điện phân cực DC

vào công suất đầu vào cho bộ khuếch đại công suất điển hình

Tương tự, Hình 2.6b cho thấy sự gia tăng của dòng điện phân cực khi bộ khuếch đại bắt đầu bão hòa, do hiệu ứng nắn dòng sẽ đòi hỏi các mô hình phức tạp hơn để mô tả hành vi của nó Dần dần khi công suất đầu vào của bóng bán dẫn tănglên và bóng bán dẫn chuyển sang trạng thái bão hòa, các mô hình phức tạp hơn được yêu cầu để mô tả các hiệu ứng như tạo sóng hài và thay đổi điểm phân cực

Hình 2.7 cho thấy một sơ đồ công suất đầu ra so với công suất đầu vào cho một bóng bán dẫn công suất trung bình điển hình Các trục biểu đồ công suất tính bằng mW theo thang logarit (là tuyến tính nếu công suất được biểu thị bằng dB)

Hình 2 7: Sự phụ thuộc của tổng công suất đầu ra, hiệu suất, và tăng thêm công

suất với công suất đầu vào cho 1 bóng bán dẫn điển hình

Công suất đầu ra là 120 mW khi công suất đầu vào là 20 mW, do đó mức tăng nhỏ là 6, hoặc khoảng 8 dB Khi mức tăng giảm xuống còn 7 dB, bộ khuếch đại được cho là ở mức nén 1 dB và điều này xảy ra ở khoảng 120 mW công suất đầu vào Hiệu suất cực máng được định nghĩa là tỷ lệ của công suất đầu ra RF với công suất đầu vào dòng 1 chiều, do đó tăng theo tỷ lệ gần bằng với công suất đầu ra

cơ bản nếu công suất DC không đổi Mức độ tương quan phụ thuộc vào sự đóng góp tương đối của sóng hài đối với công suất đầu ra RF tổng thể và mức độ mà công suất đầu vào dc thay đổi khi thiết bị đi vào bão hòa Hiệu suất là một thiết kế

bộ khuếch đại công suất quan trọng và trong các phần sau của điều này chúng ta sẽ khám phá những cách để tối đa hóa nó Hiệu suất bổ sung năng lượng được xác định bằng:

đối của thiết bị để tăng cường công suất Hiệu suất bổ sung năng lượng luôn có hình dạng giống nhau: lõm xuống, vì không có nguồn điện đầu vào nên nó bằng không và mức công suất cao, công suất đầu vào có thể vượt quá công suất đầu ra bão hòa nên trở thành âm Do đó, hiệu suất bổ sung năng lượng phải vượt qua một giá trị tối đa

Hình 2.8 thể hiện thị mối quan hệ giữa công suất đầu ra và đầu vào chi tiết hơn cho thiết bị khác Công suất đầu ra được nén 1 dB là khoảng 24 dBm và xảy ra

ở công suất đầu vào khoảng 19 dBm Khi công suất đầu vào (PIN tính bằng mW) bị trừ khỏi công suất đầu ra (POUT tính bằng mW), có thể xây dựng đường cong chênh lệch POUT - PIN như trên Hình 2.8 Nếu công suất dòng 1 chiều không đổi, thì đường cong này phản ánh hiệu suất bổ sung năng lượng, ngoại trừ tỷ lệ Điểm tối đa POUT -

PIN trong trường hợp này và trên thực tế, thường xảy ra xung quanh điểm nén 1 dB của thiết bị phù hợp Điều này là do điểm nén 1 dB đánh dấu ranh giới xung quanh

mà POUT gần với mức tối đa của nó nhưng mức tăng vẫn đủ cao để mà PIN có thể vẫn nhỏ một cách hợp lý Hơn nữa, giá trị cực đại của POUT - PIN đo lường mức tối

đa có thể đạt được nếu thiết bị này được sử dụng trong bộ tạo dao động, do đó PIN

phải được trừ khỏi công suất đầu ra để duy trì dao động Phần còn lại POUT - PIN cònlại cho đầu ra dao động Đây là một kết quả cơ bản khác: công suất đầu ra tối đa của bộ tạo dao động được xác định bởi thiết bị và không bao giờ có thể vượt quá giá trị cực đại của POUT - PIN của thiết bị phù hợp, thường xảy ra xung quanh điểm nén 1 dB

Hình 2 8: Đồ thị phóng đại của công suất đầu ra so với công suất đầu vào cho một

bóng bán dẫn

2.2.2 Thiết kế bộ khuếch đại công suất tuyến tính

Các mục tiêu tín hiệu nhỏ thường để thiết kế mạng kết hợp đầu ra cho mạng lưới liên hợp phức tạp hoặc để làm phẳng mức tăng theo tần số bằng cách đưa ra tổn thất ở tần số thấp hơn Mạng đầu vào sau đó được thiết kế cho các tiêu chí phù hợp, có lẽ để đạt được hệ số khuếch đại tối đa Với thiết kế ở mức tín hiệu lớn để đạt được công suất đầu ra đáng kể, có rất ít sự khác biệt so với thiết kế của mạng đầu vào, ngoài hệ số phản hồi thông qua S12 của chính thiết bị Tuy nhiên, mạng đầu ra bây giờ phải được thiết kế lại để rút năng lượng tối đa ra khỏi thiết bị Mạng đầu ra rất quan trọng đối với các thiết kế công suất cao, bởi vì đầu ra là nơi điện áp

và sự dao động hiện tại của thiết bị cao, nơi chúng cần phải xoay theo pha và theo cách để giảm thiểu biến dạng và tối đa hóa hiệu quả

2.2.3 Phân loại mạch khuếch đại công suất

Phân loại mạch khuếch đại công suất có nhiều cách khác nhau như mạch khuếch đại được phân biệt theo mục đích (mạch khuếch đại điện áp, mạch khuếch đại dòng điện, mạch khuếch đại công suất …) Thông thường trong mạch khuếch đại công suất người ta chia thành hai nhóm mạch là: nhóm mạch khuếch đại công

suất tuyến tính và nhóm mạch công suất chuyển Trong mạch khuếch đại công suất tuyến tính thì chia theo độ lớn của góc cắt người ta cũng chia thành 4 loại mạch khuếch đại là: Mạch khuếch đại chế độ A, chế độ B, chế độ AB và chế độ C

2.2.3.1 Các chế độ mạch khuếch đại công suất tuyến tính

Bộ khuếch đại bóng bán dẫn tuân theo một số chiến lược xu hướng khác nhau Các chiến lược được xác định là các chế độ của bộ khuếch đại, từ chế độ A-

G, mặc dù ký hiệu chữ cái của các lớp cao hơn ít được chấp nhận hơn Trong phần này, các bộ khuếch đại chế độ A, AB, B và C sẽ được xem xét và được thể hiện trong Hình 2.8 cho một bộ khuếch đại được chế tạo xung quanh một FET Hình 2.8a là đặc tính đầu ra và hiển thị các điểm khác biệt cho các điểm khác nhau được hiển thị Các đặc điểm đầu vào được thể hiện trong Hình 2.8b trong đó các dạng sóng dòng đầu vào IG và đầu ra ID được cung cấp cho dạng sóng đầu vào hình sin (VGS)

Hình 2 9: Các đặc tính điện áp dòng của một bóng bán dẫn được sử dụng trong một bộ khuếch đại cho thấy các điểm không hoạt động của các loại bộ khuếch đại

khác nhau; (a) đặc tính đầu ra, (b) đặc tính đầu vào

Bộ khuếch đại chế độ A đã hạn chế hiệu suất vì luôn có dòng điện hoạt động đáng kể, do đó có hay không dòng RF có phát ra hay không Các chế độ khuếch đạibậc cao hơn đạt được hiệu suất cao hơn, nhưng làm méo tín hiệu RF Vị trí dòng điện và điện áp của các bộ khuếch đại chế độ A, AB, B và C có một quỹ đạo tương

tự về các đặc tính điện áp dòng điện đầu ra của một bóng bán dẫn Các đặc tính đầu

ra của một bóng bán dẫn được thể hiện trong Hình 2.9, cho thấy cái được gọi là đường tải tuyến tính hoặc DC và các điểm cắt cho các chế độ khuếch đại khác nhau Đường dây tải là vị trí của dòng điện một chiều và điện áp khi điện áp đầu vào DC thay đổi Với bộ khuếch đại chế độ A, bóng bán dẫn bị lệch ở giữa các đặc tính của bóng bán dẫn trong đó đáp ứng có độ tuyến tính cao nhất Đó là, nếu điện

áp cực cổng thay đổi từ tín hiệu được áp dụng, điện áp đầu ra và các biến thể hiện tại gần như tỉ lệ tuyến tính với đầu vào được áp dụng Hạn chế là luôn có dòng điệnmột chiều đáng kể, ngay cả khi tín hiệu đầu vào rất nhỏ Đó là mức tiêu thụ năng lượng DC cho dù nguồn RF có được tạo ra ở đầu ra của bóng bán dẫn hay không, Điều này không đáng quan tâm nếu các tín hiệu RF nhỏ sẽ được khuếch đại, vì khi

đó một bóng bán dẫn nhỏ có thể được chọn để các mức dòng DC nhỏ Đó là một vấn đề nếu bộ khuếch đại phải xử lý cả tín hiệu lớn và nhỏ Bộ khuếch đại tuyến tính thường được gọi là bộ khuếch loại A và được xác định bởi khả năng khuếch đại tín hiệu nhỏ đến trung bình thậm chí lớn với độ méo tối thiểu Điều này đạt được bằng cách phân cực một bóng bán dẫn ở giữa các đặc tính I-V (hoặc điện áp-dòng) của nó

Hình 2 10: Các đặc tính điện áp dòng của bộ khuếch đại bóng bán dẫn được hiển thị với đường dây tải của bộ khuếch đại chế độ A; (a) bộ khuếch đại lưỡng cực; (b)

FET khuếch đại

Hình 2.9 cho thấy các đặc tính I-V của các bóng bán dẫn lưỡng cực và FET được hiển thị trong Hình 2.10, cùng với đường tải DC Đường dây tải là vị trí của dòng điện và điện áp đầu ra Đối với các bộ khuếch đại chế độ A trong Hình 2.10a

và 2.10b, các đường tải được xác định tương ứng

Các đặc tính I-V của bộ khuếch đại FET được thể hiện trong Hình 2.9b Sự khác biệt đáng chú ý giữa các đặc điểm này và các đặc tính của bóng bán dẫn lưỡngcực là các đường cong ít độ dốc hơn ở điện áp đầu ra thấp (tức là VD) Điều này dẫnđến điện áp đầu ra tối thiểu của bộ khuếch đại FET, VDS, min, lớn hơn điện áp của

bộ khuếch đại dựa trên BJT, VCE, min Đối với bộ khuếch đại RF FET điển hình,

như trong Hình 2.11b điện áp cung cấp, VDD, là 3 V trong khi VDS, min là 0,5 V Giảm sai lệch dẫn đến méo tín hiệu cho tín hiệu RF lớn Điều này có thể được nhìn thấy trong các dạng sóng đầu ra khác nhau được hiển thị trong Hình 2.12.

Hình 2 12: Dạng sóng đầu vào và đầu ra cho các loại bộ khuếch đại khác nhau; (a) chế độ A, B, C và AB của bộ khuếch đại; (b) bộ khuếch đại chuyển mạch

Bộ khuếch đại chế độ A có độ tuyến tính cao nhất và bộ khuếch đại chế độ B

và C dẫn đến méo đáng kể Các bộ khuếch đại chế độ AB được sử dụng trong nhiềuứng dụng di động, mặc dù các bộ khuếch đại chế độ C được sử dụng với các sơ đồ điều chế đường bao không đổi, như trong GSM Gần như tất cả các bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ đều thuộc chế độ A Điều này cũng đúng với hầu hết các bộ khuếch đạibăng thông rộng, vì độ ổn định của bộ khuếch đại là chắc chắn hơn Bộ khuếch đại chế độ A trình bày các trở kháng gần như không phụ thuộc vào mức tín hiệu Tuy nhiên, bộ khuếch đại chế độ B, AB hoặc C thể hiện trở kháng có giá trị thay đổi tùythuộc vào mức tín hiệu RF Do đó, thiết kế đòi hỏi nhiều sự chăm sóc hơn, vì cơ hội mất ổn định cao hơn và nhiều khả năng một điều kiện dao động sẽ được đáp ứng Ngoài ra, các bộ khuếch đại chế độ B, AB và C thường không được sử dụng trong các ứng dụng băng thông rộng hoặc ở tần số cao là chủ yếu do vấn đề duy trì

sự ổn định Bộ khuếch đại chế độ A là giải pháp ưa thích cho các bộ khuếch đại ở

10 GHz trở lên và cho băng thông rộng bộ khuếch đại, một lần nữa chủ yếu vì dễ

đảm bảo sự ổn định, và do đó thiết kế đơn giản hơn và dễ chịu hơn đối với các hiệuứng và biến thể ký sinh.

Ảnh hưởng của dung lượng ký sinh và hiệu ứng trễ (chẳng hạn như do thời gian các nhà mạng di chuyển qua một căn cứ để lấy một chiếc BJT hoặc dưới cổng cho một FET) dẫn đến vị trí điện áp hiện tại cho tín hiệu RF khác với tình hình DC.Hiệu ứng này được ghi lại bởi dòng tải động hoặc AC, mà được hiển thị trong Hình2.13

Hình 2 13: Các dòng tải DC và RF của bộ khuếch đại chế độ A, B và C

Bộ khuếch đại chế độ A bị phân cực ở giữa các đặc tính I-V và đầu ra từ bộ

KĐ này có độ méo thấp nhất, như đã thấy trong Hình 2.12 Điều này có vẻ rất tốt, nhưng nhược điểm của chế độ A bộ khuếch đại kéo dòng điện một chiều ngay cả khi tín hiệu đầu vào không đáng kể Đây là hiệu suất thấp, nhưng tuyến tính cao

Bộ khuếch đại chế độ AB là một thỏa hiệp giữa các bộ khuếch đại chế độ A

và B Dòng DC ít hơn so với chế độ A khi có tín hiệu đầu vào không đáng kể và biến dạng nhỏ hơn so với chế độ B Những điều này dựa vào các mạch cộng hưởng

để thay đổi hình dạng của đường tải dẫn đến sự đánh đổi tốt hơn giữa hiệu quả và biến dạng hơn có thể đạt được với chế độ AB

Bộ khuếch chế độ A vốn là các mạch tuyến tính, trong đó bóng bán dẫn đượcđặt lệch để dẫn qua toàn bộ phạm vi của chu kỳ tín hiệu đầu vào Bởi vì điều này, các bộ khuếch đại loại A có hiệu suất tối đa về mặt lý thuyết là 50% Hầu hết các

bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ và nhiễu thấp hoạt động như các mạch loại A Hiệu quả