(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn điện tử TƯƠNG tự II đề tài THIẾT kế bộ KHUẾCH đại tạp âm THẤP (LNA) CHO tần số FM

GIỚI THIỆU1.1 Tổng quan LNA Low Noise Amplifier là mạch khuếch đại nhiễu thấ́p được sử dụng rộng rãitrong hệ thống viễn thông không dây do đặc tính khuếch đai tín hiệu RF của chúng màkh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP

(LNA) CHO TẦN SỐ FMNhóm thực hiên:̣ Nhóm 11

Số điện thoại nhó́m trưởng: 0989752341 Gmail nhó́m trưởng: tuanplssc@gmail.com

Mã lớp: 116280 Nhó́m sinh viên thự̣c hiện:

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang

Ha Nôi,̣ 6 – 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP

(LNA) CHO TẦN SỐ FMNhóm thực hiêṇ: Nhóm 11

Số điện thoại nhó́m trưởng: 0989752341 Gmail nhó́m trưởng: tuanplssc@gmail.com

Mã lớp: 116280 Nhó́m sinh viên thự̣c hiện:

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang

Ha Nôi,̣ 6 – 2020

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, dướ́i sự phát triển của khoa học công nghệ, tần số vô tuyến (RF) và thịtrường thiết bị không dây đã mở rộng điến mức không thể tưởng tượng được Các thiết

bị sử dụng tần số só́ng vô tuyến như điện thoại di động đã và đang thâm nhập vào mọikhía cạnh trong cuộc sống của chúng ta, từ mặt hàng xa xỉ đến đồ dùng thiết yếu Cáccông ty bán dẫ̃n và hệ thống, nhỏ và lớ́n, tương tự và kỹ thuật số, đã thấ́y thống kê vàđang phấ́n đấ́u để chiếm thị phần của riêng họ bằng cách giớ́i thiệu các sả̉n phẩm RFkhác nhau Thiết kế RF độc đáo ở chỗ nó́ dựa trên nhiều ngành không liên quan đếnmạch tích hợp (IC) Các kiến thức về RF đã phát triển được khoả̉ng một thế kỷ, tạo cơ

sở tri thức dường như vô tận dành cho người mớ́i để tiếp tục học tập và phát triển [1].Vớ́i mục đích phục vụ học tập môn học Điện tử tương tự II và dướ́i sự hướ́ng dẫ̃n

của TS Nguyễn Anh Quang, nhó́m chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế bộ khuếch

đại tạp âm thấp (LNA) sử dụng tần số FM” Đây là một đề tài ứng dụng các kiến thức

về RF và hoàn toàn có́ ý nghĩa trong thực tế

Dù có́ nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đề tài sẽ còn nhiều hạn chế trong nhiềumặt, nhó́m em rấ́t mong được thầy và các bạn đó́ng gó́p ý kiến xây dựng để đề tàiđược hoàn thiện hơn

MỤC LỤ

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu và phạm vi 1

1.3 Các thuật ngữ viết tắt 1

1.4 Môi trường hoạt động 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Cấ́u trúc truyền dẫ̃n 3

2.2 Vai trò của bộ LNA 4

2.3 Tham số S 5

2.4 Các thông số của bộ LNA 6

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ 9

3.1 Các yêu cầu về thông số kỹ thuật 9

3.2 Quy trình thiết kế LNA 9

3.2.1 Quy trình thiết kế LNA 9

3.2.2 Đặc điểm transitor 9

3.3 Thiết kế LNA 10

3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor 10

3.3.2 Mạch LNA 12

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 15

4.1 Kết quả̉ 15

4.2 Kết luận 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.0.1 Cấ́u trúc truyền dẫ̃n Super- heterodyne [1] 3

Hình 2.0.2 Điểm nén 1dB [3] 8

Hình 2.0.3 Điểm chặng thứ 3 [3] 8

Hình 3.0.1 Sơ đồ mạch kiểm tra độ ổn định của BFP720 10

Hình 3.0.2 Đồ thị S11 11

Hình 3.0.3 Đồ thị S12 11

Hình 3.0.4 Đồ thị S21 12

Hình 3.0.5 Đồ thị S22 12

Hình 3.0.6 Mạch mô phỏng LNA trên ADS 13

Hình 3.0.7 Đồ thị NF 13

Hình 3.8 Gain 14

i

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bả̉ng 1.1 Các thuật ngữ viết tắt 1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài trình bày tập trung trình bày về lý thuyết mạch LNA và thiết kế mô phỏngmạch LNA cho tần số FM trên phần mềm ADS (Advance Design System) Đề tài chialàm bốn chương như sau:

Chương 1 Giớ́i thiệu chung

Chương 2 Cơ sở lý thuyết Nội dung chương trình bày lý thuyết cơ bả̉n của bộLNA: cấ́u trúc truyền dẫ̃n, vai trò, tham số S và các thông số của bộ LNA

Chương 3 Thiết kế Nội dung Chương 3 trình bày về cách thiết kế bộ LNA chotần số FM và được minh họa trên phần mềm ADS

Chương 4 Kết luận

iii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan

LNA (Low Noise Amplifier) là mạch khuếch đại nhiễu thấ́p được sử dụng rộng rãitrong hệ thống viễn thông không dây do đặc tính khuếch đai tín hiệu RF của chúng màkhông có́ các nhiễu lân cận Lĩnh vực phổ biến của ứng dụng không dây hiện nay nằmđó́ là ISM (Industrial, Science and Medical) Cộng đồng kỹ sự dành sự quan tâm caođến nó́ cũng như các thiết kế liên tục các thiết bị tương thích vớ́i băng tần này nhưmạng không dây LAN, Bluetooth, Wifi tấ́t cả̉ đều hoạt động ở dả̉i tần số 2.4-2.5GHZ.Thiết kế LNA vẫ̃n luôn là một thử thách bởi chúng yêu cầu nhiễu ả̉nh (Low Noise)thấ́p, hệ số khuếch đại (Gain) cao cùng vớ́i đó́ tiêu hao năng lượng thấ́p và tuyến tínhcao Vì đó́ là các thông số có́ vai trò quyết định trong độ nhạy nhận

1.2 Mục tiêu và̀ phạm vi

Mục tiêu của nhó́m đặt ra khi thiết kế bộ LNA cụ thể như sau:

Độ tuyến tính của LNA cao

Thiết kế và mô phỏng trên ADS (Advanced Design System) Tối ưu hó́a LNA

Tối ưu hó́a độ tuyến tính

Đánh giá nhiễu ả̉nh, hệ số khuếch đại, hệ số phả̉n xạ đầu vào và đầu ra

1.3 Các thuật ngữ viết tắt

Trong bài báo cáo, nhó́m có́ sử dụng một số từ ngữ viết tắt Bả̉ng 1.1 mô tả̉

trình bày các thuật ngữ đó́

Bảng 1.1 Các thuật ngữ viết tắt

ADS Advanced Design Tools Thiết kế siêu cao tần

IMS Industrial, Science , Medical Công nghiệp, khoa học , y học

1.4 Môi trường hoạt động

Báo cáo thực hiện trên mô phỏng LNA tại tần số của FM 100MHz được thiết kế

sử dụng mạng phối hợp trở kháng đầu vào và đẩu ra Mô phỏng mạch được thực hiện

sử dụng ADS (Advanced Design System) từ công nghệ KEYSIGHT, bắt đầu từ cácthành phần lý tưởng và kết thúc mô phỏng trên các giá trị thật Để thiết kế LNA,transistor phù hợp cần được chọn Thêm vào đó́, LNA dùng đê đánh giá cho độ tuyếntính là thuộc tính phức tạp khi điều chế tín hiệu RF

2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cấu trúc truyề̀n dẫn

Máy thu tín hiệu super-heterodyne là một trong những mô hình máy thu được sửdụng phổ biến vớ́i rấ́t nhiều ứng dụng rộng rãi từ máy thu phát trong thông tin vôtuyến hai chiều cũng như trong nhiều hệ thống thông tin di động[ CITATION Dav01 \l

1033 ]

Hình 2.0.1 Cấu trúc truyề̀n dẫn Super- heterodyne[ CITATION Dav01 \l 1033 ]

Sơ đồ khối của máy thu Super-heterodyne được thể hiện trên hình 1.1 Só́ng điện

từ bức xạ tín hiệu RF được nhận bởi anten, tín hiệu sau đó́ đi qua bộ lọc thông dả̉i(Bandpass Filter – BPF) để lọc tín hiệu không mong muốn trong quá trình truyền rakhỏi tín hiệu mong muốn (desired signal) Sau khi qua BPF, do tín hiệu RF nhận đượcthường rấ́t nhỏ nên ta cần sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấ́p (Low Noise Amplifier –LNA) vớ́i chức năng khuếch đại tín hiệu đồng thời giả̉m tạp âm có́ thể thêm vào tínhiệu Đầu ra của LNA cùng vớ́i tín hiệu LO (Local Oscillator) được cung cấ́p vàomạch trộn (Mixer) để chuyển đổi xuống tần số thấ́p hơn gọi là tần số trung gian(Intermediary frequency – IF) Tần số IF được chọn ở mức gần vớ́i tần số đầu vào tínhiệu RF sao cho tần số tín hiệu đầu ra IF sẽ tương đối thấ́p Bộ lọc IF sẽ lọc các tần số

không mong muốn ra khỏi IF IF tiếp tục được khuếch đại và giả̉i điều chế để thu đượcđầu ra.

Như vậy qua cấ́u trúc truyền dẫ̃n phía trên ta đã phần nào biết được vị trí và vaitrò của bộ khuếch đại tạp âm thấ́p (LNA) trong các máy thu tín hiệu Các phần tìmhiểu tiếp theo sẽ làm rõ các vấ́n đề của bộ LNA

2.2 Vai trò của bộ LNA

Bộ LNA thường nằm ở tầng đầu tiên của máy thu, đó́ng một vai trò quan trọngtrong hiệu suấ́t tổng thể của máy thu

Trướ́c tiên do tín hiệu nhận được trên anten của máy thu thường rấ́t nhỏ nên tamong muốn có́ thể khuếch đại tín hiệu để dễ dàng xử lý chúng Do đó́ ta cần một bộkhuếch đại để có́ thể thực hiện công việc trên, nhưng linh kiện trên bộ khuếch đại vàcác khối khác thường có́ tạp âm (Noise) – lại là nguyên nhân giớ́i hạn hiệu suấ́t của hệthống RF Nếu không có́ tạp âm, một máy thu RF có́ thể phát hiện tín hiệu nhỏ bấ́t kỳ,cho phép truyền thông qua khoả̉ng cách lớ́n bấ́t kỳ Một điều nữa là nếu tạp âm đi vàotín hiệu sẽ rấ́t khó́ loại bỏ được tạp âm ra khỏi tín hiệu, ả̉nh hưởng đến chấ́t lượng tínhiệu

Tại đầu thu, thông số quan trọng được quan tấ́m đó́ là độ nhạy máy thu, được chobởi công thức:

Sensitivity Simin(dB)=−174 dBm+10 logB+F (dB)+( S 0 /S 1)(dB) (1.1)Trong đó́: B là băng thông của hệ thống, F là NF bên thu, S0/S1 là tỉ số tín hiệutrên nhiễu tại bên thu

Vớ́i độ nhạy tốt và dả̉i động, LNA sẽ cho nhiễu ả̉nh (Noise Figure) thấ́p và hệ sốkhuếch đại mong muốn cao nhấ́t Bên cạnh đó́, LNA còn quan tâm đến độ tuyến tínhcủa nó́ Tín hiệu mạnh tạo ra intermodulation products ở dả̉i tần số gần vớ́i tần số hoạtđộng có́ ả̉nh hưởng tớ́i trở kháng bên thu

Để tính toán ả̉nh hưởng của tạp âm, ta thường sử dụng hệ số tạp âm Noise Figure (NF) trong quá trình tính toán NF được xác định bởi công thức:

4

NF =

SNR¿SNR out

Mục đích chính của hệ số NF là để xác định mức độ suy giả̉m của SNR

(Signal-to-noise ratio), nếu hệ thống không có́ tạp âm thì SNRin = SNRout

Xuấ́t phát từ công thức tính NF tổng (công thức Friis) [ CITATION Beh88 \l 1033

Trong đó́ APi là hệ số khuếch đại (gain) của các tầng hay khối trong hệ thống Như

vậy qua công thức trên ta thấ́y NF của các tầng giả̉m dần khi hệ số khuếch đại của các

tầng trướ́c tăng Nghĩa là NF của cả̉ hệ thống phụ thuộc rấ́t lớ́n vào tầng đầu tiên Như vậy

bộ LNA được tạo ra ở khối đầu tiên vớ́i mục đích giả̉i quyết vấ́n đề trên vớ́i việc tạo ra hệ

số NF nhỏ và và hệ số khuếch đại cao, giúp cả̉i thiện hiệu suấ́t của toàn mạch

2.3 Tham số S

Tham số S là các tham số tán xạ xác định mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của

mạng điện trong só́ng năng lượng tớ́i và phả̉n xạ

Công thức song năng năng lượng tớ́i và phả̉n xạ: Z0

an: só́ng năng lượng tớ́i

bn: só́ng năng lượng phả̉n xạ

Z0: Trở kháng đầu vào

n=1 hoặc 2

Có́ 4 thông số: a1, a2 , b1 và b2

2.4 Các thông số của bộ LNA

Việc thiết kế một bộ LNA dựa trên việc điều chỉnh các thông số sau đây:

Noise Figure (NF): Vớ́i một máy thu thông thường NF thường từ 6 đến 8 dB,

trong đó́ NF trên anten từ 0.5 đến 1.5 dB, trên LNA từ 2 đến 3 dB và các khối khác từ2.5 đến 3.5 dB Yêu cầu tạp âm thấ́p của LNA giớ́i hạn sự lựa chọn các mô hình mạch.Thông thường chỉ có́ 1 transistor chi phối đến NF và mạch cần có́ khả̉ năng khuếch đạinên ta loại mô hình emitter followers và source followers

Gain: Hệ số khuếch đại (gain) của LNA phả̉i đủ lớ́n để giả̉m phân bố tạp âm trên

các khối tiếp theo của máy thu Việc lựa chọn gain của LNA cần phả̉i chú ý đến một

sự đánh đổi, gain càng lớ́n khiến NF của máy thu càng nhỏ nhưng cũng dẫ̃n đến vấ́n

đề phi tuyến khó́ giả̉i quyết

Input return loss: Việc phối ghép giữa anten và LNA trở thành một vấ́n đề thú vị

phân chia các kỹ sư thiết kế tương tự và vi só́ng Xem xét LNA như một mạch khuếchđại điện áp, ta mong muốn trở kháng vào đạt lý tưởng (vô hạn) Từ quan điểm của tạp

âm, ta mong muốn thu được NF nhỏ nhấ́t Từ quan điểm công suấ́t, ta mong muốn sựkết hợp giữa anten và LNA Từ việc kết hợp các sự lựa chọn phía trên và để tránh mấ́tmát đầu vào, LNA được thiết kế vớ́i trở kháng đầu vào có́ điện trở 50 ohm Chấ́t lượngcủa phối hợp đầu vào được thể hiện bởi input “return loss”, cho bởi công thức:

6

γ =¿ Z¿−R S 2

Z¿+R S ∨¿ ¿

Vớ́i Zin là trở kháng vào

Stability: LNA có́ thể bị ả̉nh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài nên cần duy trì sự ổn

định (stability) ở tấ́t cả̉ các trở kháng nguồn và ở mọi tần số Tham số thường được

dùng để chỉ tính ổn định của mạch là “stern stability factor”:

| | 2|S21|∨S12∨¿¿

Vớ́i ∆ = S11 S22 - S12 S21, nếu ∆ < 1 tức là hệ thống ổn định vô điều kiện

Linearity: Trong nhiều ứng dụng, LNA không giớ́i hạn độ tuyến tính (linearity)

của máy thu, ta thường thiết kế và tốt ưu LNA mà ít quan tâm đến đặc tính tuyến tính

của chúng Nhưng đặc tính tuyến tính của LNA sẽ trở nên quan trọng trong máy thu

băng thông rộng mà bị ả̉nh hưởng bởi lượng lớ́n nhiễu bên ngoài

Bandwidth: LNA phả̉i cung cấ́p đáp ứng tương đối cho dả̉i tần quan tâm, tốt nhấ́t

là biến thiên khuếch đại dướ́i 1 dB

Power dissipation: Thiết kế LNA thường phả̉i đánh đổi giữa tạp âm, đặc tính

tuyến tính và tiêu hao năng lượng Nhưng trong thực tế, LNA chỉ tiêu hao một phần

nhỏ công suấ́t nên vấ́n đề về tạp âm thường được đánh giá quan trọng hơn sự tiêu tán

năng lượng

Sau khi đã có́ những cơ sở lý thuyết chung nhấ́t về một bộ LNA, ta tiến hành tìm

hiểu mô hình LNA và thiết kế một bộ LNA vớ́i các thông số mong muốn

1-dB Compression Point: P1 dB cho thấ́y mức công suấ́t đầu ra rơi tại điểm 1dB

so vớ́i giả̉m công suấ́t đầu ra 1dB so vớ́i giá trị đầu ra lý tưởng Do đó́, điểm P1 nén

1dB là yếu tố quan trọng cho ta thấ́y điểm năng lượng đầu vào, tại đó́ tín hiệu bắt đầu

méo và phi tuyến Nguyên tắc của bộ khuếch đại tuyến tính đó́ là khuếch đại hoạt động

ở miền dướ́i điểm nén [ CITATION Fre14 \l 1033 ]

Hình 2.0.2 Điểm nén 1dB [ CITATION Ngu \l 1033 ]

Third- Order Intercept Point: Điểm chặn thứ 3 cho thấ́y năng lượng của điểm

điều biến (intermodulaton) thứ 3 bằng vớ́i năng lượng đầu ra tại điểm thứ nhấ́t Điểmchặn thứ ba ả̉nh hưởng lớ́n tớ́i intermodulation vì nó́ gây phi tuyến và xuấ́t hiện khi 2tần số tín hiệu lớ́n f1, f2 ở gần vớ́i tần số hoạt động f0 IIP2, OP3 là năng lượng đầuvào và đầu ra, tương tứng vớ́i IP3

Ip3=P1(db)+10dBHình 2.3 mô tả̉ điểm chặn thứ 3 trên đồ thị

Hình 2.0.3 Điểm chặng thứ 3 [ CITATION Ngu \l 1033 ]

8

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ

Trong Chương 3 đề cập cách thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấ́p (LNA) cho tần số

FM theo trình tự tường bướ́c Các thông số chính trong phần thiết kế LNA này là hệ sốtạp âm (NF), hệ số khuếch đại (Gain) và phối hợp đầu vào (Input matching)

3.1 Các yêu cầu về̀ thông số kỹ thuật

Các yêu cầu về thông số kỹ thuật được đưa ra như sau:

Gain > 19 dB

NF < 3 dB

Bandwidth: 40 MHz vớ́i tần số trung tâm 100 MHz

3.2 Quy trình thiết kế LNA

3.2.1 Quy trình thiết kế LNA

Một quy trình thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấ́p bao gồm các bướ́c:

Đánh giá độ ổn định để xác định sự phụ thuộc vào nguồn và phối hợp trở

kháng

Xác định điều kiện phân cực mạch

Xác định hệ sô khuếch đại mong muôn tại tần số trung tâm

Xác định NF tại tần số trung tâm Phối hợp nguồn là bắt buộc

3.2.2 Đặc điểm transitor

Để thiết kế LNA, việc chọn transistor là một bướ́c quan trọng và thiết yếu Khichọn transtistor cần quan tâm tớ́i hệ số khuếch đại cao, nhiễu ả̉nh thấ́p Ở đây nhó́mchọn BFP720 vớ́i các thông số phù hợp vớ́i việc thế kế mạch LNA ở tần số 100Mhz[ CITATION Dat13 \l 1033 ]:

Sử dụng công nghệ

SiGe Dả̉i động cao

Hoạt động ở điện áp: 1.0V-4.0V.

Tần số hoạt động: 0.01-12(GHz)

Hệ số khuếch đại cao và tiêu hao năng lượng thấ́p

Hệ số khuếch đai ổn định cao nhấ́t tại f=10Gz: 15dB

BFP720 được sử dụng nhiều trong FM radio, Mobile Tv, GPS (Global Positioning,System)…

3.3 Thiết kế LNA

3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor

Transistor chọn cần có́ độ ổn định K>1, vì vậy chúng ta cần kiểm tra transistor có́thỏa mãn yêu cầu hay không? Nếu yêu cầu không đạt, chúng ta cần thêm các điện trở

để transistor trở nên ổn định

Công thức tính ổn định K của transistor theo công thức 2.9

Hình 3.0.4 Sơ đồ mạch kiểm tra độ ổn định của BFP720

10

Hình 3.0.5 Đồ thị S11

Hình 3.0.6 Đồ thị S12

Hình 3.0.7 Đồ thị S21

Hình 3.0.8 Đồ thị S22

Hình 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 mô tả̉ các thông số S11, S12, S21, S21. Từ các hình trên vàcông thức (2.9) tính hệ số ổn định K, ta thu được K>1 nên transistor ổn định, thỏa mãnyêu cầu

3.3.2 Mạch LNA

Sau khi tính toán các thông số, nhó́m đã thống nhấ́t mạch thiết kế LNA như sau:

12