Bài tập lớn thông tin di động THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA TẦN SỐ WIFI 2.4 GHZ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ~~~~~~~~~~~~ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA TẦN SỐ WIFI 2 4 GHZ GV hướng dẫn PGS Ng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

GV hướng dẫn: PGS Nguyễn Văn Đức

Nhóm sinh viên thực hiện:

MỞ ĐẦU

-

 -Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, nhu cầu phát triển về thôngtin liên lạc ngày càng quan trọng Thế giới thay đổi từng giờ Thông tin bùng nổtừng phút Có thể nói chìa khoá thành công trong thời đại này chính là tiếp nhận và

xử lý thông tin

Xã hội ngày càng năng động hơn Nhu cầu tiếp nhận, cập nhật thông tin củacon người cũng tăng cao Chính vì lý do này, các thiết bị di động ngày càng phổbiến Không chỉ đơn thuần là giữ liên lạc, các thiết bị di động ngày nay đòi hỏi khảnăng truy nhập vào mạng Internet, có khả năng cập nhật thông tin một cách liên tục

và nhanh nhất Chúng cũng cần có khả năng lưu trữ nhiều hơn, các ứng dụng ngàycàng mạnh mẽ hơn Thêm vào đấy, các thiết bị này còn là một phần trang sức vớiyêu cầu ngày càng nhỏ gọn, đẹp mắt

Các thiết bị di dộng đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh vàchính xác Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này đòi hỏi ngày càng gắt gaohơn Đóng vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị di động là một bộ thuphát sóng Tín hiệu thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, với khả năng di độngcao, tín hiệu thu được thường rất bé, trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu.Chính điều này dẫn đến việc phát triển bộ Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – LowNoise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao hơn là rấtcần thiết

Thiết bị di động: smart-phone, laptop, tablet ngày càng phổ biến Số lượngtăng rất nhanh Việc truy cập vào môi trường Internet đòi hỏi các mạng truy nhậpphát triển mạnh mẽ hơn Không thể không kể đến mạng Wifi với tần số chuẩn2,4GHz

Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại tần số 2,4GHz trở

nên cấp thiết và có ý nghĩa quan trọng Chính vì vậy, đề tài “Mô phỏng Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tần số wifi 2,4GHz” sẽ trình bày và cố gắng làm rõ hơn các

nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, mạch LNA tại 2,4GHz

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan Truyền dẫn không dây: 5

1.2 Khái niệm bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA 6

1.2.1 Vị trí bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA 6

1.2.2 Bộ LNA 2,4GHz 7

Chương 2 – LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ LNA 2,4GHz 8

2.1 Lý thuyết cao tần 8

2.1.1 Khái niệm hệ thống cao tần 8

2.1.2 Các thông số trong hệ thống siêu cao tần 8

2.2 Các thông số quan trọng trong thiết kế LNA 9

2.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure 9

2.2.3 Hệ số khuếch đại 10

2.2.4 Tính ổn định của hệ thống 12

2.2.5 Độ tuyến tính 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 14

3.1 Thiết kế 14

3.1.1 Lựa chọn transistor hỗ trợ thiết kế 14

3.1.2 Các tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043 15

3.1.3 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 15

3.2 MÔ PHỎNG 16

3.2.1 Mạch trở kháng cho lối vào 16

3.2.2 Mạch phối hợp trở kháng cho lối ra 17

3.2.3 Phối hợp trợ kháng cho mạch khuếch đại LNA 17

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Ảnh minh hoạ tính ưu điểm của mạng không dây 5

Hình 2: Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến 7

Hình 3: Ứng dụng Wifi trong môi trường hộ gia đình 7

Hình 4: Điểm nén 1-dB và Điểm chặn bậc 3 13

Hình 5: Sơ đồ và chức năng từng chân của Transistor SPF-3043 14

Hình 6: Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-3043 14

Hình 7: Bảng tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043 15

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối vào 16

Hình 9: Kết quả mô ph ng tham số S11, S21 lối vào 16

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối ra 17

Hình 11: Kết quả mô ph ng tham số S11, S21 lối ra 17

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch khuếch đại 18

Hình 13: Kết quả mô ph ng tham số S11, S21 của mạch 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Truyền dẫn không dây:

Sự phát triển của mạng Không dây (Wireless): Ngày nay, các ứng dụng củamạng không dây ngày càng trở nên thông dụng Dễ dàng nhận ra nơi nơi đều ứngdụng công nghệ không dây: từ sân bay, trường học, đến các công ty, toà nhà, nơicông cộng như nhà hàng, khách sạn, quán café, đến các bệnh viện với các thiết bịgiám sát y tế, và ngày càng nhiều các hộ gia đình sử dụng mạng vô tuyến Tiêu biểunhất không thể không kể đến mạng WLAN (Wireless Local Area Network), truyềndẫn Vệ tinh, Hệ thống thông tin Di động (các thế hệ 2G, 3G…), các thiết bịBluetooth, wifi… Lý do mạng Vô tuyến không dây ngày càng được sử dụng rỗngrãi là vì nó mang tới những ưu điểm vượt trội so với mạng hữu tuyến:

 Linh động, tiện lợi

 Tiết kiệm chi phí lắp

 Khả năng mở rộng và quản lý thuận

Hình 1: Ảnh minh hoạ tính ưu điểm của mạng không dây

 Kết nối không dây luôn sẵn sàng

Mạng không dây được truyền nhận ở dải tần Vô tuyến (RF – RadioFrequence) Các mạng ứng dụng rộng rãi nhất trong thông tin vô tuyến: Wifi –WiMax, hệ thống thông tin di động lấy băng tần 2300-2500MHz làm chuẩn (802.16

(2005)), đặc biệt là chuẩn Wifi 802.11 2,4GHz đang được ứng dụng rộng rãi Băng

tần này được chọn do 2 nguyên nhân:

 Điều kiện truyền sóng trong băng tần này rất thích hợp cho các thiết bị

di động, laptop…

 Khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng truy cậpbăng rộng không dây WBA (Wireless Broadband Access)

Tuy nhiên, Wi-Fi có một nhược điểm trong lĩnh vực này, đó là nó tiêu tốnquá nhiều năng lượng khi dùng cho các thiết bị cầm tay Công nghệ Wi-Fi thực sựquan trọng, nó đã mang lại cho chúng ta một cái nhìn thoáng qua về những gì có thểthực hiện được trong tương lai với các công nghệ vô tuyến không dây.

Như trình bày ở trên, việc phát triển các thiết bị sử dụng wifi là hết sức cầnthiết Các thiết bị này yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, khả năng hoạt động của pin lâuhơn, hoạt động thu phát sóng wifi mạnh mẽ Trong đó, với vai trò nhỏ gọn, thiết bị

di động đóng vai trò là một bộ máy thu sóng Và bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA làhết sức cần thiết để khuếch đại tín hiệu nhỏ yếu trong môi trường vô tuyến đầynhiễu và tạp âm

1.2 Khái niệm bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA

LNA là chữ viết tắt của Low Noise Amplifier, là bộ khuếch đại tạp âm thấp

 Các tín hiệu thu phát bằng vô tuyến đến phía đầu thu thường rất nhỏ Chính

vì vậy cần có bộ khuếch đại tạp âm thấp để nhằm thu được các tín hiệu nhỏchính xác,

 các mạch cao tần là phi tuyến, và rất nhạy cảm với nhiệt Chính tạp âm nàyảnh hưởng rất nhiều trong quá trình thu và khôi phục lại tín hiệu dữ liệu,

 việc khuếch đại thông thường giúp khuếch đại công suất tín hiệu, nhưngđồng thời cũng khuếch đại tạp âm Chính vì vậy, bộ LNA được dùng đểkhuếch đại tín hiệu cần thiết để đạt được một độ lợi Gain (G) tốt nhất, đồngthời hạn chế tối đa khuếch đại Tạp âm (Noise)

1.2.1 Vị trí bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA

Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA là vô cùng cần thiết trong hệ thống thông tin diđộng đặc biệt là bộ phận thu (Receiver)

Vị trí LNA đặt càng gần anten thu càng tốt, vì khi đó, tín hiệu vô tuyến thuđược từ anten – tín hiệu rất yếu (về công suất) – sẽ được khuếch đại thông quaLNA Đồng thời, với thiết kế đặc biệt, LNA sẽ khuếch đại công suất tín hiệu vớimức tạp âm là tối ưu thấp nhất Khi này hệ số tạp âm Noise Figure (NF) sẽ là thấp

nhất Từ đây, dựa vào công thức Friiss hệ số tạp âm NF toàn máy thu sẽ là thấp

nhất, do ảnh hưởng nhiều nhất từ tầng khuếch đại đầu tiên

Hình 2: Sơ đồ khối một phần bộ thu phát tín hiệu vô tuyến

1.2.2 Bộ LNA 2,4GHz

Với các ứng dụng rộng rãi, khả năng truy nhập Internet nhanh, cùng sự phát

triển không điểm dừng của thiết bị di động, mạng Wifi chắc chắn còn phát triển

mạnh mẽ hơn nữa

Hình 3: Ứng dụng Wifi trong môi trường hộ gia đình

Bên cạnh đó, các thiết bị di động xu hướng ngày càng nhỏ gọn, thu phát sóngmạnh mẽ, hoạt động bền bỉ, truy nhập Internet nhanh chóng qua mạng Wifi Do đó,yêu cầu thiết kế các mạch cao tần thu phát sóng tại tần số của wifi (2,4 GHz) saocho ngày càng hoàn thiện hơn, nhỏ gọn hơn càng trở nên cấp thiết Trong đó,nghiên cứu, thiết kế, thi công và tối ưu bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA tại tần số2,4GHz là hết sức quan trọng và ý nghĩa

Chương 2 – LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ LNA 2,4GHz 2.1 Lý thuyết cao tần

2.1.1 Khái niệm hệ thống cao tần

Tại tần số cao tần, bước sóng của tín hiệu sẽ nhỏ Đến khi bước sóng này sosánh được với độ dài mạch, việc tín hiệu đi từ nguồn đến đích phải cần một khoảngthời gian truyền nhất định Đây được gọi là quá trình truyền sóng trên đường dây

Chính vì quá trình truyền sóng này, dẫn đến các hệ quả sau:

 Có sự trễ pha của tín hiệu tại điểm thu so với tín hiệu tại điểm phát,

 Có sự suy hao về biên độ tín hiệu tại điểm thu so với biên độ tín hiệutại điểm phát,

 Có sự phản xạ sóng trên đường truyền, điều này dẫn đến hiện tượngsóng đứng không mong muốn trên đường dây

2.1.2 Các thông số trong hệ thống siêu cao tần

- Trở kháng đặc tính

(2.1)(2.2)

(2.3)Trở kháng đặc tính của đường truyền sóng biến thiên theo tần số tín hiệu , đơn vị:[Ohm]

Đối với đường truyền không tổn hao (R=0, G=0)

(2.4)

là một hằng số thực, được gọi là điện trở đặc tính của đường dây Thực tế thường gặp các đường truyền sóng có =50 , hoặc =300

- Hệ số phản xạ

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm x bất kỳ là tỉ số giữa sóng điện áp phản

xạ và sóng điện áp tới tại điểm x đó

- Hệ số sóng đứng (VSWR)

(2.6)

2.2 Các thông số quan trọng trong thiết kế LNA

2.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure

Khi mạch điện được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫunhiên Sự dao động này tạo ra nhiệt Đối với mạch cao tần, chuyển động này là vôcùng lớn, lượng nhiệt tỏ ra là đáng kể Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm, ảnhhưởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống Trong hệ thống RF, tạp âm được kết hợp từnhiều nguồn khác nhau Đơn vị của tạp âm thường dùng trong hệ thống RF là Côngsuất tạp âm

Tạp âm nội: tạp âm được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp âmnội Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise,Flicker Noise

- Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)

Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise.Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tửtrong các vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt Trongcác linh kiện điện tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử

có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này

Công suất tạp âm được định nghĩa:

(2.7)trong đó: P: công suất tạp âm, [W]

k: hằng số Boltzmann, [J/K]

T: nhiệt độ vật dẫn, [K]

- Shot Noise (Shottky Noise)

Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mangnăng lượng như electron trong các mạch điện ly, photon trong các thiết bị quang đủnhỏ để gây ra những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay cácthiết bị bán dẫn

Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điệnhay cường độ của ánh sáng Shot Noise tương tực Thermal Noise, cũng có phân bốdạng Gaussian (tạp âm trắng)

(2.8)trong đó: I: Dòng tạp âm hiệu dụng, [A]

q: giá trị điện tích electron 1,6.10-19 [C]

: dòng điện DC, [A]

: băng thông, [Hz]

- Flicker Noise (1/f Noise)

Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp Flicker Noise

có mật đổ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số Flicker Noise không ảnh hưởngnhiều đến mạch ở tần số cao

- Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)

Ta có các định nghĩa sau:

NF được tính theo đơn vị là [dB]

Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:

với: F x và G x lần lượt là Hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x

(2.9)(2.10)

(2.11)

Từ công thức trên, ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất

là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống

2.2.3 Hệ số khuếch đại

Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa S- parameter là các thông số của ma trận tán xạ [S]

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1

: tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2.: độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2.

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào

1 : hệ số phản xạ công suất tại cửa

vào 2

Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xá [S] như sau:

Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất:

Operating Power Gain:

- Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình được cấp bởi mạch

- Độ lợi công suất hoạt động được ứng dụng cho khuếch đại công suấtngõ ra tuyến tính cao nhất, được xác định bởi công thức:

Available Power Gain:

(2.12)

- Độ lợi công suất hiện hữu (độ lợi công suất thực sự): là tỉ số giữacông suất trung bình hiện hữu cao nhất của mạch điện với công suất trung bình caonhất được cấp bởi nguồn

- Độ lợi công suất hiện hữu này được sử dụng trong mạch khuếch đạitạp âm thấp LNA, và được cho bởi công thức:

Transducer Power Gain:

(2.13)

- Độ lợi công suất chuyển đổi (độ lợi công suất biến năng): là tỉ sốgiữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình cao nhất đượccung cấp bởi nguồn.

- Đội lợi công suất chuyển đổi đánh giá độ lợi công suất của đầu ra và vào của mạng khi độ lợi tuyến tính là cao nhất, được cho bởi công thức:

Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: và

Điều này tương đương một hệ số khác, gọi là -factor được đĩnh nghĩa:

Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính Tín hiệu vàotăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bão hoà của mộttrong các linh kiện của mạch Điểm nén 1-dB được định nghĩa là điểm mà độ lợicủa tín hiệu giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tưởng) Bằng cáchgiảm bớt độ lợi để tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1-dB giúp cân bằng giữa độlợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch

Hình 4: Điểm nén 1-dB và Điểm chặn bậc 3

Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, người ta dùng thông số Điểm chặnbậc 3 (Third Order Intercept Point) – hay còn gọi là IIP3 (Input 3rd Order InterceptPoint) Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổbậc 1

Theo định nghĩa, giá trị của điểm nén 1-dB và điểm chặn bậc 3 như sau:

OIP3: Ouput 3rd Order Intercept Point

IIP3: Input 3rd Order Intercept Point

dBc: độ lớn công suất nền nhiễu.

P out: công suất tín hiệu tại ngõ ra

Hệ thống nhiều tầng:

(2.24)Điểm 1-dB Compression và điểm IIP3 càng lớn, hệ thống sẽ càng tuyến tính

3.1 Thiết kế CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

3.1.1 Lựa chọn transistor hỗ trợ thiết kế

Để thực hiện thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần S (f0 =2,45GHz) và yêu cầu hệ số khuếch đại lớn hơn 15 dB ở đây chúng em chọn transistorSPF 3043 Sơ đồ chân và các tham số quan trọng của SPF3043

Transistor cao tần SPF-3043 do công ty Stanford Microdevices chế tạo Đây làTransistor chế tạo theo công nghệ 0.25µm pHEMT Gallium Arsenide FET, hoạtđộng với phân cực lý tưởng 3V, 20mA cho tạp âm thấp nhất, sử dụng pin Với phâncực 5V,40mA chíp hoạt động tốt với OIP3 là 32dBm Nó cung cấp tính năng về dảitần hoạt động rộng, hệ số khuếch đại lớn, phù hợp với việc thiết kế, chế tạo các bộkhuếch đại tạp âm thấp dùng trong công nghiệp và thương mại

- Đặc tính của SPF-3043:

 Dải tần hoạt động đến 12 GHz

 Hệ số tạp âm cực thấp (NF): 0.44 dB @ 2 GHz 0.54 dB @ 4 GHz

 Hệ số khuếch đại cao: 19 dB @ 2 GHz 22 dB @ 4 GHz

 Dòng thấp (3V,20mA) +32 dBm OIP3, +20 dBm P1dB (5V,40mA)

 Sử dụng pHEMT có tính năng cao, giá thành thấp Cấu trúc chân và chứcnăng các chân của Transistor SPF-3043:

Hình 5: Sơ đồ và chức năng từng chân của Transistor SPF-3043

Hình 6: Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-3043