Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại

Nếu bộ khuếch đại được nối với tải của nó bởi một cáp và có tất cả 3 trở kháng khác nhau, thì bội lần sự khuếch đại giữa bộ khuếch đại và tỉa của nó có thể xuất hiện tạo ra sự biến thiên

Trang 1

cao tần và công nghệ gia công mạch dải

báo cáo tổng kết chuyên đề

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo

các bộ khuếch đại

M∙ số: ĐTĐL- 2005/28G Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh

6715-3

11/01/2007

Hà Nội - 2007

Bản quyền 2007 thuộc Viện Rađa

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trưởng Viện Rađa trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Trang 2

mục lục

2 Các chữ viết tắt 6

Lời mở đầu 7

Chương I: Tổng quan các bộ khuyếch đại 8

1.1 Giới thiệu 8

1.2 Phương pháp phân tích hệ số khuyếch đại và sự ổn định kinh điển 9

1.2.1 Vòng tròn khuyếch đại hằng số 13

1.2.2 Các ý nghĩa thực tế của lý thuyết 15 1.2.3 Thiết kế mạch khuyếch đại ổn định có điều kiện 16 1.2.3.1 Tải thuần trở 16

1.2.3.2 Phản hồi song song 16

1.2.3.3 Phản hồi nối tiếp 17

1.2.3.4 Mạch khuyếch đại cân bằng 17

1.3 Kỹ thuật phối hợp 18 1.3.1 Phối hợp bằng phần tử tập trung 18

1.3.1.1 Mạng L 18

1.3.1.2 Phối hợp hai trở kháng phức bằng mạng L 19

1.3.1.3 Mạng T và mạng π 20

1.3.2 Mạng phối hợp phân tán 21

1.3.2.1 Đường truyền nối tiếp và nhánh cụt song song 21 1.3.2.2 Biến áp phần tư bước sóng 23

1.3.2.3 Biến áp đoản mạch 24

1.4 Cấp thiên áp một chiều 25 1.4.1 Định thiên xếp chồng 30

1.4.2 Các phần tử ngoài chip 31 1.4.3 Khảo sát bằng thử RFOW 32 1.5 Thiết kế mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng 32 1.5.1 Thiết kế nhiều tầng 33

1.6 Phối hợp có tổn hao 34

Trang 3

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực

SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.

Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại

2

Chương II: Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuyếch đại

Trang 4

Các ký hiệu và viết tắt

1 Các ký hiệu và định nghĩa

• Điểm nén 1 dB: Là mức đầu ra mà tại đó hệ số khuếch đại bị giảm đi

1dB so với hệ số khuếch đại ở mức tín hiệu nhỏ, hoặc được nén bằng 1dB Nói cách khác, nó là điểm mà khi ta tăng công suất đầu vào thì

đường cong KĐ không tăng tuyến tính nữa mà giảm đi 1dB

• ổn định có điều kiện: ổn định có điều kiện đề cập đến bộ khuếch đại

mà sẽ dao động dưới điều kiện trở kháng tải hoặc nguồn cụ thể, đây là một điều kiện không mong muốn

• Dải động: Là dải công suất mà bộ khuếch đại sẽ hoạt động tuyến tính,

với giới hạn dưới phụ thuộc vào hệ số tạp (hoặc độ nhạy) và giới hạn trên

là hàm của điểm nén 1dB

• Độ bằng phẳng hệ số khuếch đại: Chỉ thị sự biến thiên đặc tính khuếch

đại của bộ khuếch đại theo dB trên toàn bộ dải đáp ứng tần số ở nhiệt độ cho trước

• Hệ số khuếch đại: Đối với các bộ khuếch đại RF nó là tỷ số công suất

• Méo hài: Là kết quả do bộ khuếch đại hoạt động trong vùng phi tuyến và

xuất hiện dạng của các tần số tín hiệu đầu ra là cấp số nhân của các tần

số tín hiệu vào

• Độ cách ly: Là tỷ số của công suất ở đầu ra bộ khuếch đại với công suất

mà đo tại đầu vào của bộ khuếch đại

• Sự tuyến tính: Sự tuyến tính của một bộ khuếch đại biểu thị công suất

đầu vàolà một hàm tuyến tính ở công suất đầu vào Một bộ khuếch đại tuyến tính tạo ra ở đầu ra của nó một bản sao khuếch đại của tín hiệu đầu vào với hài không đáng kể hoặc không có hài

• Mức công suất tín hiệu cực đại: Liên quan đến tín hiệu RF xung hoặc

CW lớn nhất mà có thể đưa vào một cách an toàn cho đầu vào một bộ khuếch đại Vượt quá giới hạn cho phép có thể gây ra sự giảm hệ số tạp, tăng hài, giảm hệ số khuếch đại và có thể cháy khuếch đại

• Hệ số tạp: Là tỷ số của tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp tại đầu

vào và tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp tại đầu ra bộ khuếch

Trang 5

4

đại Hệ số tạp theo dB có quan hệ với hệ số tạp F theo công thức: NF =

• Tổn hao phản hồi (RL): Là tỷ số giữa công suất phản xạ với công suất

tới tại cổng RF của bộ khuếch đại, biểu thị theo dB: RL = - 20 log |Γ|, Γ

là hệ số phản xạ

• Độ ổn định: Độ ổn định của bộ khuếch đại biểu thị xu hướng của nó làm

dao động hoặc tạo ra một tín hiệu ở đầu ra của nó mà không đưa vào đầu vào

• ổn định không điều kiện: Đề cập đến một bộ khuếch đại sẽ không dao

động bất chấp trở kháng tải hoặc nguồn

• VSWR đầu ra và đặc tính kỹ thuật: VSWR đầu ra là phép đo xem bao

nhiêu công suất bị phản xạ về từ cổng ra bộ khuếch đại khi một tín hiệu bên ngoài được đưa vào cổng đó VSWR biến thiên từ giá trị lý thuyết 1 :

1 đối với sự phối hợp hoàn toàn đến giá trị lớn hơn 20 : 1 đối với sự không phối hợp hoàn toàn Do tải theo áp dụng thực tế thay đổi theo tần

số, công suất cực đại và độ bằng phẳng hệ số khuếch đại cũng sẽ bị lệch

từ giá trị đặc trưng Nếu bộ khuếch đại được nối với tải của nó bởi một cáp và có tất cả 3 trở kháng khác nhau, thì bội lần sự khuếch đại giữa bộ khuếch đại và tỉa của nó có thể xuất hiện tạo ra sự biến thiên lớn hơn về

đáp ứng tần tần số, trở kháng ra (tiêu biểu cho VSWR đầu ra) là trở kháng nguồn của linh kiện sau

Mối quan hệ giữa hệ số phản xạ Γ, VSWR và RL:

Γ = (VSWR – 1)/(VSWR + 1)

• Tổng quan về đường truyền:

Với mục đích lấy đặc trưng của bộ KĐ SCT, các khái niệm về đường truyền chính gồm:

Trang 6

- Biểu diễn Γ và Z trên đồ thị Smith

suy giảm của mạng

=

L L IN

In IN

S

S S S Z

Z

Γ

−

Γ +

= + Ζ

− Ζ

= Γ

22

21 12 11 0 0

Trang 7

6

S S OUT

OUT OUT

S

S S S Z

Z

Γ

−

Γ +

= + Ζ

− Ζ

= Γ

11

21 12 22 0

AV

AV A

Trang 8

Lời mở đầu

Việc nghiên cứu máy thu ít nhiễu tần số siêu cao đã cho ra đời 1 loạt bộ khuếch đại: KĐ đèn sóng chạy (TOP), KĐ tham số, KĐ dùng điốt Tunel, KĐ dùng điốt Gunn hoặc điốt thác lũ, KĐ dùng transistor lưỡng cực (Bipolar), KĐ dùng transistor trường

Transistor trường xuất hiện vào năm 1986 vì đã đạt được các ứng dụng tốt Việc đưa ra thị trường các transistor trường cho phép có thể chế tạo những

bộ KĐ có vị trí vượt trội trong lĩnh vực máy thu tần số siêu cao ít nhiễu

Các bộ KĐ này có thể áp dụng trong nhiều trường hợp: radar cảnh giới, radar điều khiển hoả lực, theo dõi bám sát mục tiêu nói chung là dùng trong tất cả các trường hợp máy thu với yêu cầu độ nhạy cao

Việc sử dụng rộng rãi transistor trường trong thực nghiệm cho phép bắt tay vào nghiên cứu và chế tạo bộ KĐ tạp thấp, bộ KĐ này có các đặc trưng có thể so sánh với các đặc trưng của các bộ KĐ tham số nhưng lại có những ưu

điểm của hệ thống bán dẫn như: dải rộng, độ ổn định cao, tiêu thụ năng lượng

ít, kích thước bé mà lại có độ tin cậy cao

Các bộ khuếch đại tạp thấp đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi trong máy thu của các hệ thống điện tử (trong đó có các đài rađa, đài

điều khiển tên lửa) thay thế cho các đèn sóng chạy Hiện nay có thể mua được các bộ khuếch đại tạp thấp này theo các hãng điện tử trên thế giới nhưng với giá thành cao Để đưa được bộ khuếch đại tạp thấp vào thay đèn sóng chạy trong

đài rađa dẫn đường П-37 đòi hỏi phải có bộ bảo vệ để tránh cho bộ khuếch đại

bị đánh thủng vì công suất phát lọt qua đèn cặp nhả điện Thường thì những bộ khuếch đại chuyên dụng này rất khó mua đơn chiếc ở trên thị trường

Trang 9

8

Chương i Tổng quan các bộ khuyếch đại

1.1 Giới thiệu

Trước tiên chúng ta xem xét những kĩ thuật và công nghệ quan trọng nhất

được sử dụng trong thiết kế mạch khuyếch đại MMIC Các lí thuyết kinh điển, các phân tích các thông số tác xạ S, sự ổn định hai cực và hệ số khuyếch đại của

bộ chuyển đổi đơn cũng sẽ lần lượt được trình bày Các kĩ thuật cơ bản về phối hợp trở kháng và xu hướng thiết kế mạch sẽ được đề cập trước khi giới thiệu 5 loại mạch khuyếch đại MMIC cơ bản là: mạch khuyếch đại phối hợp trở kháng, mạch khuyếch đại phối hợp tổn hao, mạch khuyếch đại phản hồi, mạch khuyếch đại phân bố nhiều kiểu mạch khuyếch đại phối hợp tích cực khác Và cuối cùng sẽ trình bày kĩ thuật thiết kế mạch khuyếch đại có công suất ra lớn và tạp tán thấp

Khi so sánh với các mạch khuyếch đại MIC lai ghép, các mạch khuyếch

đại MMIC có các ưu điểm chính là giá thành thấp và tính lặp lại rất tốt khi sản xuất với số lượng lớn Tuy nhiên, tính năng của các mạch khuyếch đại MMIC

có thể bị kém hơn do kích thước nhỏ dẫn đến làm tăng tổn hao mạng phối hợp

và khó chọn phương án bố trí mạch Hơn nữa, vì cần công suất ra cao, nên các linh kiện tích cực của mạch MMIC thường có phẩm chất kém hơn so với các linh kiện rời Điều này thể hiện rõ ở các linh kiện công suất lớn Do đó, nói chung, các mạch khuyếch đại MMIC không đạt được các tính chất tốt nhất về

hệ số tạp tán và công suất hữu ích Tuy nhiên, do loại trừ được ảnh hưởng kí sinh của các mối hàn và dây dẫn sẽ làm cho các mạch khuyếch tích hợp ở múc cao có dải thông rất rộng, đặc biệt đối với mạch khuyếch đại phân bố Ngoài ra, việc thiết kế các mạch khuyếch đại dải sóng milimét sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều so với kỹ thuật vi mạch cao tần lai ghép, vì ở đó cần phải gia công cơ khí với độ chính xác rất cao, là một vấn đề khó khăn và hầu như không thể thực hiện được trong thực tế

Tính năng của các mạch khuyếch đại MMIC sẽ được cải thiện rất nhiều khi dựa vào các linh kiện công nghệ mới như MESFET (transistor hiệu ứng trường), HEMT (transistor điện tử độ linh hoạt cao) và HBT (transistor lưỡng cực lớp tiếp giáp không đồng nhất) Hiện nay, người ta đã chế tạo được các mạch khuyếch đại MMIC sử dụng linh kiện HEMT làm việc đến 100GHz, các

Trang 10

mạch khuyếch đại HBT làm việc đến 90GHz Để thiết kế các mạch khuyếch

đại, các linh kiện MESFET các thể đáp ứng được tần số đến khoảng 30GHz và

hệ số tạp tán tốt nhất đến 18GHz Các linh kiện HEMT có hệ số tạp tán tốt nhất

và hiện đang là linh kiện tốt nhất cho các ứng dụng tạp tán thấp ở dải sóng milimét Các linh kiện HBT GaAs có khả năng tốt nhất về công suất ra, mạch khuyếch đại đơn khối 8,5GHz cho ra công suất liên tục 12W Mặc dù linh kiện lưỡng cực silicon có hệ số tạp tương đối kém, nhưng chúng đặc biệt kinh tế khi sản xuất loạt lớn và có thể tích hợp với mạch CMOS trong công nghệ BiCMOS Công nghệ HBT SiGe đang phát triển rất nhanh và đã ghi nhận đạt đến tần số

Cần phải khẳng định rằng, tuy phẩm chất các linh kiện dù sẽ được hoàn thiện hơn nữa, nhưng các kỹ thuật thiết kế mạch khuyếch đại trình bày ở đây sẽ vẫn tiếp tục được ứng dụng Tất nhiên, khi hệ số khuyếch đại linh kiện được nâng cao, các chức năng khác nhau của mạch được tích hợp chặt chẽ hơn (thành từng tầng 50Ω) thì sự cần thiết các kỹ thuật phối hợp kinh điển sẽ giảm đi Kết quả là, khi thiết kế trên dải cao tần sẽ sử dụng ngày càng nhiều kĩ thuật phối hợp tích cực và kỹ thuật ghép một chiều kết hợp bơit lí do chúng đã được tích hợp ở múc cao Trong tương lai xu hướng các linh kiện có tạp tán tháp, công suất lớn và tiêu thụ ít năng lượng sẽ là xu hướng phổ bíen Đối với các úng dụng sóng milimét, khi hệ số khuyếch đại của transistor bị hạn chế, các kỹ thuật phối hợp truyền thống như phối hợp dây chêm và chuyển đổi trở kháng sẽ vẫn còn

được sử dụng tiếp tục trong nhiều năm nữa

1.2 Phương pháp phân tích hệ số khuyếch đại và sự ổn định kinh điển

Độ khuyếch đại của transistor phụ thuộc rất nhiều vào các trở kháng nguồn và tải Đó là nhiệm vụ của mạng phối hợp nhằm đạt được các phẩm chất mong muốn (hệ số tạp cực tiểu, độ khuyếch đại cực đại hoặc công suất ra cực

đại) trong cả dải tần số, và thiết kế mạng phối hợp là phần chủ yếu của thiết kế mạch khuyếch đại Thêm vào đó, các linh kiện thực tế có hệ số truyền ngược

đáng kể, điều đó có nghĩa là, vấn đề ổn định phải được khảo sát trong thiết kế mạch khuyếch đại Để phân tích độ ổn định và độ khuyếch đại của mạch

hình 1.1 là biểu diễn sơ đồ của một transistor có trở kháng ra được coi là hệ số

Trang 11

10

tắc vòng kín Mason, có thể dễ dàng thấy rằng:

L 22

L 12 21 11 in

S 1

S S S

Γ

Γ Γ

ư +

S 11

S 12 21 22 out

S 1

S S S

Γ

Γ Γ

ư +

Có hai hệ quả quan trọng từ các phương trình (1.1) và (1.2) Thứ nhất là,

và transistor có thể có điện trở vào/ra âm Điều đó có nghĩa là, transistor bị mất

ổn định đối với những trở kháng nguồn và tải nhất định Nếu ta khảo sát từ phía

1 S

1

S S S

L 22

L 12 21

S

S S r

* 11

(

∆

Λ Γ

Trang 12

Vòng tròn này biểu diễn một miền trong mặt phẳng ΓL (trên giản đồ Smith), trong hoặc ngoài miền đó toàn bộ trở kháng tải làm cho hệ số phản xạ lối vào transistor lớn hơn đơn vị và dẫn tới mất ổn định Vòng tròn này là vòng tròn ổn định tải và nó có thể nằm một phần trong giản đồ Smith, hoàn toàn nằm trong giản đồ Smith hoặc hoàn toàn nằm ngoài giản đồ Smith Hình 1.2 biểu diễn bằng hình vẽ các khả năng xảy ra Miền ổn định nằm trong hoặc ngoài vòng tròn được xác định bằng miền có điểm gốc (điểm 50Ω) vì điểm này nằm

thể viết được các phương trình để xác định vòng tròn ổn định nguồn: trở kháng nguồn nằm trong miền không ổn định sẽ dẫn đến hệ số phản xạ lối ra lớn hơn

ổn định sẽ khác nhau khi tần số khác nhau

Từ hình 1.2c và d rõ ràng rằng, đây là các trường hợp hệ số phản xạ nguồn hoặc tải trong giản đồ Smith dẫn đến mất ổn định Đó là ổn định không điều kiện ổn

định không điều kiện có nghĩa là, không có tổ hợp các đầu cuối tải và nguồn thuần trở để có thể dẫn đến mất ổn định Nhưng, phải lưu ý rằng, trong mạch khuyếch đại nhiều tầng có thể một transistor có trở kháng âm với tầng khác, và

do đó vấn đề ổn định sẽ phức tạp hơn nhiều

Điều rất quan trọng là người thiết kế phải ngay lập tức biết rằng transistor

có ổn định vô điều kiện hay không Hệ số ổn định Rollett là chỉ thị ổn định tức thời và được tính như sau:

21 12

2 2 22 2 11

S S 2

S S

1

thuộc vị trí tương đối của trở kháng nguồn và tải so với vòng tròn ổn định

Trang 13

12

Hình 1.2 Vòng tròn ổn định trên giản đồ Smith

a - vòng tròn ổn định nằm một phần trong giản đồ Smith,

b - nằm một phần trong giản đồ Smith và bao điểm 50Ω,

c - hoàn toàn nằm ngoài

d - bao hoàn toàn giản đồ Smith,

e - hoàn toàn nằm trong giản đồ Smith và không bao điểm 50Ω,

f - nằm hoàn toàn trong giản đồ Smith và bao điểm 50Ω

Vựng khụng ổn

(c)

Vựng ổn định

(d)

Vựng khụng ổn

(e)

Vựng ổn định

(f)

Trang 14

1.2.1 Vòng tròn khuyếch đại hằng số

số công suất tải nhận được trên công suất có thể cung cấp, và được tính bằng công thức:

2 L S L 22 S 11

2 L 2

S 2

21 T

S S

1

) 1

)(

1 ( S G

Γ

∆Γ Γ Γ

Γ Γ

và không có truyền ngược Điều đó đưa đến biểu thức chuyển đổi khuyếch đại

2 L 22 S

11

2 L 2

S 2

21 TU

) S 1 )(

S 1 (

) 1

)(

1 ( S G

Γ Γ

2 S 11

2 S S

S 1

1 G

L 22

2 L L

S 1

1 G

Các vòng tròn khuyếch đại này có thể dùng để phát triển chiến lược phối hợp khi thiết kế mạch khuyếch đại băng rộng Tuy nhiên, chúng phải được sử dụng cùng với các vòng tròn ổn định, bởi vì các vòng tròn khuyếch đại cao hơn sẽ

đơn vị

miền không ổn định Trong trường hợp đó, chúng ta phải chấp nhận rằng,

Trang 15

14

hơn đơn vị, có thể đạt đ−ợc an toàn một l−ợng khuyếch đại cực đại gọi là độ khuyếch đại cực đại ổn định (MSG - maximum stable gain) và đ−ợc tính:

đơn vị [5]), linh kiện sẽ ổn định vô điều kiện, và độ khuyếch đại cực đại có thể

đạt đ−ợc gọi là độ khuyếch đại tối đa khả năng (MAG - maximum available gain) và đ−ợc tính:

tần số thấp, độ khuyếch đại ổn định cực đại sẽ thay đổi 3dB/octave Tại một tần

độ khuyếch đại cực đại có thể thay đổi 6dB/octave

Hình 1.3 Các vòng tròn khuyếch đại (trong mặt ΓL ) đối với MESFET 300àm

Các hình tròn KĐ

KĐ cực đại

Vòng tròn

ổn định

Trang 16

nhỏ có trở kháng rất cao và do đó linh kiện có độ rộng cửa lớn dễ phối hợp 50Ω hơn Ngược lại, ở tần số cao, linh kiện lớn có trở kháng rất thấp, và do đó linh kiện có độ rộng cửa nhỏ dễ phối hợp với 50Ω hơn Độ rộng cửa thành phần

có hiệu ứng đánh dấu lên tần số chuyển tiếp MSG/MAG: độ rộng cửa thành phần nhỏ dẫn đến trở kháng gate thấp hơn và độ cảm ứng source thấp hơn (trong hầu hết trường hợp) Những thay đổi đó trong các phần tử kí sinh FET là nguyên nhân có sự khác nhau giữa các đường cong MSG/MAG của 4 x 150àm,

4 x 100àm và 4 x 50àm (xem hình 1.4) Tiểu tiết quan trọng này của độ khuyếch đại cực đại, độ ổn định và trở kháng linh kiện phải được nghiên cứu gắn liền với nhau ngay khi bắt đầu quá trình thiết kế đối với dải tần và linh kiện quan tâm để chọn được kích thước hình học tối ưu của linh kiện

Hình 1.4 Độ khuyếch đại cực đại ổn định/ độ khuyếch đại cực đại khả năng cho MESFET 0.5àm tiêu chẩn với kích thước hình học khác nhau

1.2.2 Các ý nghĩa thực tế của lý thuyết

Các phân tích kinh điển có tính chất chung ở đây nhằm minh họa một

điều, sẽ là sai lầm nếu nghĩ rằng thiết kế mạch khuyếch đại chẳng qua là vấn đề

trường hợp ổn định có điều kiện và vô điều kiện cần phải được xử lý khác nhau

Khi transistor ổn định vô điều kiện, người thiết kế có thể bằng cách liên hợp để phối hợp lối vào và lối ra nhằm đạt được khuyếch đại cực đại và phối

4x50

Trang 17

16

22

bằng cách liên hợp đồng thời Đó là hệ số phản xạ lối vào của transistor khi lối vào được phối hợp tốt, đường cong phải chạy trên giản đồ Smith và sau đó đi

đến điểm 50Ω bằng các phần tử phối hợp tương ứng Các giá trị dễ dàng nhận

được bằng chương trình thiết kế Nhưng cần cẩn thận xác định sao cho, khi chương trình thiết kế chỉ thị hệ số phản xạ lối vào transistor với điều kiện phối hợp bằng cách liên hợp hoặc mạng phối hợp cần thiết, hệ số phản xạ tính trên lối vào transistor phải đạt được phối hợp bằng các cách khác nhau Trong

thời, các giá trị này sẽ do mạng phối hợp đặt lên transistor Do đó, các phương pháp phối hợp được mô tả dưới đây trong chương này, các cách khác nhau của

LibraTM, các giá trị phải được vẽ trên giản đồ Smith LibraTM và các chương trình CAD khác cũng có thể chỉ thị độ ổn định và vòng khuyếch đại

Khi linh kiện chỉ ổn định có điều kiện ta không thể phối hợp lối vào và lối ra bằng cách liên hợp vì sẽ dẫn đến tự kích Trong trường hợp này ta chỉ có thể thiết kế mạch khuyếch đại làm việc với cố ý làm mất phối hợp lối vào và lối

ra và có khoảng cách an toàn tới miền không ổn định Nhưng, mạch khuyếch

đại là một phần tử không có ích nhiều, nếu mất phối hợp sẽ dẫn đến rung độ khếch đại, và mạch khuyếch đại có thể bị dao động nếu trở kháng nguồn và tải không bằng 50Ω Do đó, cần phải từng bước ổn định linh kiện

1.2.3 Thiết kế mạch khuyếch đại ổn định có điều kiện

1.2.3.1 Tải thuần trở

Transistor có thể ổn định bằng cách bổ xung số lượng nhỏ điện trở mắc nối tiếp hoặc số lượng lớn điện trở mắc shunt vào lối vào và/hoặc lối ra như hình 1,5a và b Các phần tử tổn hao này phải chắc chắn rằng, transistor không cùng với trở kháng rơi vào miền không ổn định, nghĩa là trở kháng nguồn và tải

bị nối với nhau Tuy nhiên, kỹ thuật này không dùng được cho mạch khuyếch

đại tạp thấp, vì các điện trở làm xấu hệ số tạp Các giá trị điện trở phải được

1.2.3.2 Phản hồi song song

Việc tạo phản hồi âm bằng cách bổ xung các mạng điện trở như trên hình 1.5c có hiệu qủa rất tốt đối với sự ổn định transistor Hơn nữa, một hiệu quả nữa

Trang 18

1.2.3.3 Phản hồi nối tiếp

Phản hồi nối tiếp được thực hiện bằng cách đưa một điện trở hoặc cuộn cảm vào chân chung của linh kiện Cách phổ biến nhất là đưa một cuộn cảm vào source của FET, như hình 1.5d, để linh kiện ổn định ở tần số thấp Khi dùng cuộn cảm, hệ số tạp được hoàn thiện thêm nhiều, và có thể chọn trở kháng phối hợp tạp gần điểm phối hợp công suất Trường hợp đặc biệt của LNA (mạch khuyếch đại tạp thấp) FET sẽ được thảo luận trong phần 1.11

Hình 1.5 Các phương pháp ổn định: a - điện trở mắc nối tiếp,

b - điện trở mắc shunt,

c - phản hồi song song, d - phản hồi nối tiếp 1.2.3.4 Mạch khuyếch đại cân bằng

Mạch khuyếch đại cân bằng được sử dụng chủ yếu đối với MIC tạp thấp

và khuyếch đại công suất Trong LNA vấn đề thường xảy ra là phối hợp cho hệ

số tạp thấp lại không cho phối hợp tốt lối vào 50Ω Mạch khuyếch đại cân bằng giải quyết vấn đề này bằng cách triệt tiêu tín hiệu phản xạ trên tải phối hợp Một cách tương tự, nếu linh kiện ổn định có điều kiện được chủ ý làm mất phối hợp để tránh mất ổn định, mạch khuyếch đại cân bằng có thể được sử dụng như một phương tiện triệt tiêu các tín hiệu phản xạ không mong muốn Hình 1.6 trình bày sơ đồ khối mạch khuyếch đại cân bằng Hai mạch khuyếch đại giống nhau được đặt giữa một cặp bộ ghép bốn cực (ví dụ, bộ ghép Lange) Khi bố trí

Trang 19

18

xạ tại đầu cuối bộ ghép bị hấp thụ Kết quả là các mạch khuyếch đại cân bằng

có phối hợp tuyệt vời lối vào và lối ra và người thiết kế có thể tự do tối ưu hóa

với mạch khuyếch đại có đầu ra riêng, mạch khuyếch đại cân bằng có các đặc trưng sau đây:

Nhiễu điều chế chéo

Hệ số tạp mạch khuyếch đại đơn + tổn hao bộ ghép Khuyếch đại mạch khuyếch đại đơn - tổn hao 2 bộ ghép Mạch khuyếch đại đơn + 3dB - tổn hao bộ ghép

Nhiễu hài thứ ba thấp hơn 6dB so với công suất lối vào

Hình 1.6 Sơ đồ khối mạch khuyếch đại cân bằng

1.3 Kỹ thuật phối hợp

1.3.1 Phối hợp bằng phần tử tập trung

Mạng phối hợp bằng phần tử tập trung rất hấp dẫn vì kích thước nhỏ và

đặc trưng tần số không lồi lõm Trong phần này chỉ ra cách có thể phối hợp một trở kháng bất kì (ví dụ, trở kháng vào của một transistor) với 50Ω bằng hai phần

tử tập trung Sau đó, khảo sát cách phối hợp hai trở kháng phức, và cuối cùng là cách điều khiển hệ số Q bằng mạng phối hợp ba phần tử

1.3.1.1 Mạng L

Về nguyên tắc, có thể phối hợp bất kì điện trở nào với 50Ω bằng hai phần

tử điện kháng tập trung Trên sơ đồ Smith, điện cảm mắc nối tiếp sẽ chuyển dịch tải theo chiều kim đồng hồ dọc theo vòng điện trở không đổi Còn điện

Trang 20

dung mắc shunt sẽ chuyển dịch tải ngược chiều kim đồng hồ dọc theo vòng

điện trở đó Điện cảm mắc shunt sẽ chuyển dịch tải ngược chiều kim đồng hồ dọc theo đường tròn điện cảm không đổi, và điện dung mắc shunt sẽ chuyển dịch tải theo chiều kim đồng hồ dọc theo đường tròn điện cảm Khi các vòng

điện trở không đổi và điện cảm không đổi nằm cơ bản trực giao với nhau, ta đã chọn được các phần tử mắc nối tiếp và mắc shunt phù hợp có thể chuyển dịch trở kháng tải về tâm giản đồ

Tổng cộng có 8 tổ hợp điện cảm/điện dung mắc nối tiếp/shunt và ít nhất một trong chúng có khả năng phối hợp bất kì trở kháng đặc biệt nào với 50Ω Hình 1.7 biểu diễn 8 tổ hợp có thể sử dụng và sơ bộ hoạt động yêu cầu của giản

đồ Smith đối với điện cảm và điện dung mắc nối tiếp và mắc shunt Những mạng này thường được gọi là mạng L, là loại cơ bản nhất của mạng phối hợp bằng phần tử tập trung Thông thường, có thể sử dụng nhiều hơn một mạng L để phối hợp với trở kháng đã cho, phải chọn bằng cách khảo sát các nhân tố, như giá trị các phần tử, và sử dụng thuận tiện thiên áp một chiều Ví dụ, khi phù hợp, mạng 4 sẽ thuận tiện cho mạng phối hợp với transistor, vì đầu nối đất của cuộn cảm có thể sử dụng để cấp thiên áp nột chiều và tụ mắc nối tiếp sẽ nhân

đôi cách li một chiều

Hình 1.7 Phối hợp trở kháng phần tử tập trung bằng mạng L

1.3.1.2 Phối hợp hai trở kháng phức bằng mạng L

Đây là trường hợp mở rộng phối hợp hai trở kháng phức đơn giản bằng

kỹ thuật mạng L Điện kháng/điện nạp của một trong các trở kháng có thể bị

Trang 22

của phần tử Trên giản đồ Smith có thể thiết kế mạng T và π phối hợp bằng xếp chồng các đường Q không đổi lên giản đồ Cực trị của đường Q nằm trên trục

có điện trở) Điều rất quan trọng cần chú ý là toàn bộ Q hoạt động của mạch

điện được xác định bởi giá trị Q cao nhất của tất cả các nút Mạng L cho hệ số

Q thấp hơn và giải thông tần rộng hơn so với mạng T và π Bất kì sự chuyển dịch nào về phía rìa giản đồ sẽ làm tăng hệ số Q Đó là một điểm rất quan trọng cần nhớ khi thiết kế mạng phối hợp: bố trí mạch chuyển dịch ở rìa giản đồ sẽ làm hẹp giải thông, yêu cầu giá trị cực trị của các linh kiện, và nhạy hơn với sự thay đổi các tham số

Hình 1.9 Nguyên tắc phối hợp bằng mạng T

1.3.2 Mạng phối hợp phân tán

Trên các tần số cao, điện dung kí sinh, cộng hưởng ngẫu nhiên và hiệu ứng phân tán của cuộn cảm hình xoắn có nghĩa là các phần tử phối hợp đường truyền loại này chiếm ưu thế hơn các linh kiện tập trung ở đây sẽ mô tả ba phương pháp: kỹ thuật phối hợp nhánh cụt đơn, biến áp phần tư bước sóng và biến áp đoản mạch Lẽ dĩ nhiên, còn nhiều kỹ thuật phối hợp khác, nhưng không gian hạn chế của MMIC làm cho đa số chúng trở thành không thực tế Khi sử dụng các phần tử phối hợp phân bố, cần nhớ rằng, chúng có đặc trưng tần số tuần hoàn, và sự ổn định của mạch khuyếch đại phải được kiểm tra ở các hài và các phân hài trong dải tần thiết kế

1.3.2.1 Đường truyền nối tiếp và nhánh cụt song song

Trong loại mạch vi dải ở giữa, không thể sử dụng nhánh cụt nối tiếp vì mặt phẳng đất chưa sẵn sàng có đường vào Thay vào đó người ta sử dụng mạch

hở song song (shunt) hoặc nhánh cụt ngắn mạch Điều đó cần sử dụng giản đồ dẫn nạp trong nột vài phép tính, và một vài họ hàng giản đồ Smith để tránh sai

Z in =

Trang 23

22

lầm Trong trường hợp không có tổn hao, nhánh cụt hở có dẫn nạp, được tính bằng biểu thức:

l tg jY

và nhánh cụt đoản mạch có dẫn nạp lối vào được tính bằng biểu thức:

l ctg jY

Dẫn nạp đầu vào theo độ dài đối với dây chêm hở mạch như hình 1.10

Hình 1.10 Dẫn nạp đầu vào theo độ dài đối với dây chêm hở mạch

Chú ý rằng, về nguyên tắc, có thể đạt được bất kì giá trị điện nạp nào

Điều đó cho phép có thể sử dụng nhánh cụt làm phần tử phối hợp với bất kì trở kháng nào trên giản đồ Nếu nhánh cụt shunt chỉ có thể thay đổi phần ảo của dẫn nạp tải, cần có phần tử đường truyền bổ xung để điều chỉnh phần thực Hầu hết phương pháp chung được sử dụng cho đường truyền nối tiếp trước nhánh cụt, như hình 1.11a Bước đầu tiên là chọn trở kháng đặc trưng cho đường

sử dụng trong MMIC do độ rộng quá nhỏ Trong thí dụ này, trở kháng 70Ω

+ Y o 0

- Y o

Độ dài điện/độ

45 90

λg /4 180

Trang 24

được chọn cho cả hai Thủ tục thiết kế chủ yếu dựa vào giản đồ Smith được tóm

1 Vẽ dẫn nạp của tải trên giản đồ dẫn nạp, chuẩn hóa theo dẫn nạp đặc trưng

các vòng điện dẫn và điện nạp không đổi); điểm A

2 Quay dẫn nạp của tải quanh tâm giản đồ cho đến khi gặp vòng tròn

) 50 Z

(

là một nửa của góc quay đó, cho ta độ dài đường truyền mắc nối tiếp (bằng

3 Lúc này có thể đọc điện nạp yêu cầu của nhánh cụt bằng cách đi theo vòng

điện nạp không đổi đến rìa giản đồ (điểm C) Khi nhánh cụt phải triệt tiêu

điện nạp tại điểm B, sẽ dùng số ghi đối diện, cần nhớ rằng dẫn nạp nằm ở nửa dưới giản đồ là điện nạp dương

5 Từ phương trình (1.12) hoặc (1.13) độ dài điện của nhánh cụt được tính toán cho trở kháng đặc trưng và chủng loại (đoản mạch hay mạch hở) của nhánh cụt mong muốn Trong ví dụ, đối với nhánh cụt mạch hở:

stub stub

còn độ dài điện của nhánh cụt:

) 70 x 0428 , 0 ( tg ) Z x B ( tg

β

kết quả âm của phép tính Bản thiết kế sau đó được biến đổi về kích thước vật lý

và các hiệu ứng như ghép chữ T và các khuỷu kết hợp vào mô phỏng Việc dùng giản đồ Smith rất quan trọng vì trước tiên, nó có thể giải quyết vấn đề phối hợp bằng nhiều phương án tổ hợp các độ dài và vị trí nhánh cụt khác nhau, điều đó

có nghĩa là, khi tối ưu hoá bằng máy tính có rất nhiều các hàm sai số cục bộ cần tối thiểu hoá để đạt được phối hợp Hơn nữa, vài lời giải đối kháng sẽ cho

đường truyền dài hơn, giải thông tần hẹp hơn và độ nhạy lớn hơn

1.3.2.2 Biến áp phần tư bước sóng

Trang 25

24

là đại lượng thực, đầu tiên phải dùng phần tử điện kháng để cộng hưởng phần

ảo Có thể đạt được điều này hoặc bằng cuộn cảm/tụ điện mắc nối tiếp hay mắc shunt hoặc bằng nhánh cụt đường truyền

(b)

Hình 1.11 Mạng phối hợp trở kháng nhánh cụt đơn (a)

và thao tác trên giản đồ Smith (b) 1.3.2.3 Biến áp đoản mạch

Có thể sử dụng kỹ thuật biến thế trở kháng đoản mạch để phối hợp trực

R Z

Z X R Z

Z0 /

ser oer

Trang 26

R Z Z

Kỹ thuật phối hợp này gọn hơn biến áp phần tư bước sóng, nhưng thường

vấn đề biến áp phần tư bước sóng và đoản mạch, đó là làm sao chuyển đổi

đường truyền về mạng π phân bố tập trung hoặc tập trung tương đương, như đã mô tả trong chương 3

1.4 Cấp thiên áp một chiều

Transistor phải có thiên áp một chiều để đặt điểm làm việc trên đặc trưng I-V của nó, trong đó tín hiệu xoay chiều siêu cao tần thay đổi Hình 1.12 biểu diễn sơ đồ đường cong I-V chung cho loại FET và chỉ thị bốn điểm hoạt động

dụng như dòng tham chiếu nhận được khi FET được cấp thiên áp ở điện áp

trưng hệ số tạp tốt nhất, cùng với tiêu thụ nguồn một chiều thấp Nhưng vì gate

được đặt thiên áp gần với điểm cắt, độ thay đổi điện áp gate bị hạn chế và do đó

nhỏ Tuy nhiên, không sử dụng được điểm làm việc này vì tiêu thụ nguồn một chiều cao và hệ số tạp tăng Điểm III được đặt hầu như chính xác ở giữa đường cong I-V, và điểm làm việc này cho phép đạt được công suất ra tuyến tính cực

đại đối với chế độ hoạt động A Để có hiệu quả hơn có thể sử dụng điểm làm việc IV cho chế độ hoạt động AB của mạch khuyếch đại, nhưng độ tuyến tính xấu hơn

Trang 27

26

Hình 1.12 Các đường I-V danh định và các điểm thiên áp hoạt động

Có rất nhiều cách để cấp điện áp một chiều định thiên lên gate và drain của FET, như trình bày trên hình 1.12 Trong phương pháp (a), cuộn cảm hoạt

động như một cuộn chặn thiên áp, cùng với tụ điện cô lập một chiều được lắp trên lối vào và lối ra để cách li thiên áp với các mạch khác, và các tụ khử ghép ngăn chặn tín hiệu cao tần dò sang nguồn Trong phương án bố trí thiên áp này, yêu cầu điện áp drain dương (ví dụ, +3V) và điện áp gate âm (ví dụ, -1V) Nếu các cuộn cảm được lắp vào như những cuộn chặn thiên áp đơn lẻ, không gian chíp khảo sát sẽ bị bỏ phí Do đó, khi thiết kế mạng phối hợp, thường tìm cách

bố trí mạch có các cuộn cảm mắc shunt, sao cho thiên áp được cấp qua chúng

Trừ trường hợp mạch khuyếch đại tạp thấp và công suất lớn, đây là kỹ thuật rất phù hợp để định thiên gate, vì gate không có dòng chảy qua và có thể dùng điện trở để ổn định linh kiện Tuy nhiên, đối với drain, có lẽ dòng quá lớn không cho phép sử dụng điện trở để định thiên, trừ khi linh kiện có độ rộng cửa rất nhỏ Ví

dụ, thậm chí với dòng drain không lớn lắm 20mA cũng làm cho điện áp 6V với dòng 120mA tiêu tán trên điện trở 300Ω định thiên drain Sử dụng điện trở định thiên nhỏ hơn sẽ làm giảm độ khuyếch đại

Phương pháp (c) sử dụng nhánh cụt mạch vi dải ngắn mạch Đầu cuối mạch ngắn mạch được nối đất qua một tụ điện khử ghép để có thể cấp thiên áp một chiều Như một phần tử đơn lẻ, đường truyền định thiên phải có độ dài

V gs = 0

Hiệu suất Tuyến tính

Khuyếch đại

- 3 V

I ds (mA)

9 6

3

V gs (V) Tạp

- 1 V

- 2 V

Trang 28

phần tư bước sóng và thường quá lớn trong đa số trường hợp Tuy nhiên, nếu nhánh cụt là một phần của mạng phối hợp tại lối vào và lối ra, phương án rất có tính thực tế Tụ khử ghép ở cuối các nhánh cụt phối hợp rất nhạy cảm và cần cẩn thận để tránh tự kích vì bản chất cộng hưởng và đặc trưng tần số theo chu kì của nhánh cụt

Phương pháp (d) gọi là kỹ thuật tự định thiên và có thể cấp thiên áp cho FET từ một nguồn Gate được nối đất theo một chiều qua cuộn cảm hoặc điện trở giá trị lớn Điện áp source tăng đến điện thế một chiều dương với độ lớn bằng điện áp source - gate bằng cách chèn vào source một điện trở giá trị nhỏ

Source được nối đất bằng một tụ điện khử ghép lớn để ngăn chặn sự mất mát khuyếch đại cao tần

Sự tiên tiến của việc cấp nguồn đơn nên được xem xét, đặc biệt khi dùng pin, nhưng phải chịu trả giá khi bị tăng không đáng kể tiêu thụ nguồn một chiều Một bất lợi của kỹ thuật này là bị mất một cơ chế điều chỉnh có ích sau sản xuất khuyếch đại, vì thiên áp đã đư\ợc cố định Cũng vậy, mạch khuyếch

đại dường như nhạy hơn với quá trình rung, như thay đổi điện áp cắt Một vài cơ

sở có các phương tiện để tinh chỉnh điện trở bằng laser và điều đó giải quyết các vấn đề này (về giá) Có thể chọn cách nối với source một loạt điện trở khác nhau và chọn được giá trị tối ưu trong quá trình thử Hình 1.13 biểu diễn ảnh một mạch khuyếch đại phản hồi một tầng dùng kỹ thuật tự định thiên; trong ảnh

có thể trông thấy tụ điện khử ghép rất lớn trên source của FET, điều đó cần thiết

để giữ phẩm chất tốt ở tần số thấp

Trang 29

C3

FET FET1

C C2 L L2 C

C1

L L1

VG

VD

R R2 R

R1

C C4 C

C3

FET FET1

C C2 C

FET FET2

W/5 VG

Vdd

W

L L1

C C4

FET FET2

R R1

FET FET1

Hình 1.13 Mạng thiện áp một chiều: a - cuộn cảm là cuộn chặn thiên áp,

b - điện trở giá trị lớn,c - nhánh cụt mạch vi dải, d - tự định thiên, e - tải tích cực, f - tự định thiên bằng nguồn dòng không đổi, g - ghép một chiều, h - định

thiên cho transistor l−ỡng cực

Trang 31

30

Phương pháp (g) sử dụng điốt dịch mức để cho rơi điện áp ra một chiều của một tầng thành điện áp vào của tầng tiếp theo Kỹ thuật này được thảo luận gần đây để sử dụng cho các mạch khuyếch đại ghép một chiều

Có thể điều khiển transistor lưỡng cực thông qua điện áp base bằng cùng các kỹ thuật cho FET đã được mô tả ở đây Tuy nhiên, lớp tiếp giáp base -

emitơ được định thiên, và do đó cần nguồn dương (đối với transistor n-p-n)

Cũng vậy, phải điều khiển cẩn thận dòng base với điện trở hạn chế dòng Nói chung, sử dụng cấu hình định thiên lưỡng cực tiêu chuẩn được trình bày trên hình (h) Nếu cần thiết, có thể bỏ xung thêm điện trở ổn định emitơ

1.4.1 Định thiên xếp chồng

Có rất nhiều ứng dụng, tại đó dòng một chiều nhỏ quan trọng hơn khả năng hoạt động của linh kiện ở điện áp drain thấp Những ứng dụng như vậy có thể bao gồm cả đầu cuối các hệ thống thông tin hoạt động bằng pin, trong đó

điện áp nguồn được cố định, nhưng yêu cầu tiêu thụ nguồn một chiều phải cực nhỏ Đối với loại ứng dụng này, kỹ thuật định thiên xếp chồng rất có phù hợp Chúng ta nghiên cứu mạch khuyếch đại ba tầng minh họa bằng sơ đồ trên hình 1.15 Mạch khuyếch đại này sử dụng cả hai tự định thiên (ở source của tầng FET thứ nhất) và định thiên xếp chồng Dòng drain từ tầng FET thứ ba đi qua source của nó đến drain của tầng FET thứ hai, và sau đó từ source tầng FET thứ hai đến drain của FET thứ nhất Điều đó đạt được nhờ nối đất source theo dòng xoay chiều bằng các tụ điện khử ghép và các cuộn cảm nối liên tiếp source và drain theo dòng một chiều Do đó, nếu mỗi FET yêu cần hoạt động tại điện áp

V

dòng tiêu thụ tối thiểu Có thể điều chỉnh điểm làm việc của transistor trong quá trình thử RFOW bằng điều khiển điện áp thiên áp gate FET thứ nhất và điều chỉnh gồm cả các điện trở tự định thiên trong quá trình chọn trong khi thử

Trang 32

đại ổn định không điều kiện trên tần số thấp hơn 1GHz, do đó các tụ khử ghép

và mạch định thiên khác thường được dùng ngoài chip Điều này rất quan trọng, vì phải được nghiên cứu từ sớm trong quá trình thiết kế và đưa vào mô phỏng

Ví dụ, thường biết rằng, tụ khử ghép ngoài chíp phải được đặt trực tiếp sát ngay cạnh chíp và nối bằng dây có điện cảm rất nhỏ, vì có thể ảnh hưởng đến điểm hàn thiên áp một chiều Có thể lựa chọn cách khác: các phần tử ngoài chíp không giải quyết bài toán ổn định và do đó chỉ sử dụng giải pháp tải điện trở trong chíp Kết quả là, khi gửi chip đi sản xuất có thể dại dột nghĩ rằng: “Mình

có thể lo mạch định thiên ngoài chíp sau

Khi cần nối tụ khử ghép ngoài chíp với một MMIC, cần phải chắc chắn rằng tụ điện sẽ cộng hưởng với điện cảm của dây nối trên một vài tần số Các cộng hưởng như vậy phải được giữ ngoài dải và sử dụng CAD để xem xét cẩn thận khả năng mất ổn định Hình 1.16 biểu diễn bố trí một khuyếch đại MMIC lắp trong vỏ với các phần tử định thiên ngoài chíp

Trang 34

đều Hơn nữa, khi linh kiện chỉ ổn định có điều kiện, không thể phối hợp lối vào và lối ra với 50Ω vì bị mất ổn định Do đó, hạn chế của mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng là khó đạt được phối hợp lối vào/lối ra tốt, khuyếch đại phẳng đều và ổn định tốt Điều đó làm cho khó nối tầng các mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng trừ khi có sử dụng cách li hoặc bố trí mạch cân bằng Khi thiết kế mạch MIC lai ghép, có thể phải sẵn sàng sử dụng bộ cách li hoặc các tầng cân bằng cho các mạch khuyếch đại nhiều tầng Tuy nhiên, đối với mạch khuyếch đại MMIC, dùng một tôpô mạch khuyếch đại để nối tầng là thích hợp hơn; kỹ thuật phối hợp có tổn hao, có phản hồi âm và khuyếch đại phân bố là phù hợp hơn

1.5.1 Thiết kế nhiều tầng

Trong mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng có hai vấn đề phải giải quyết là ổn định và độ khuyếch đại không đều Khi thiết kế nhiều tầng, có thể thiết kế mạng phối hợp giữa các tầng để tạo ra độ dốc khuyếch đại dương nhằm cân bằng sự giảm khuyếch đại của transistor Hình 1.187biểu diễn sơ đồ khối mạch chung của khuyếch đại hai tầng Nếu các linh kiện ổn định không điều kiện, có thể tổng hợp các mạng phối hợp lối vào và lối ra cho phối hợp tốt với 50Ω trong cả dải tần mong muốn: công suất cực đại được chuyển đổi qua cả dải tần hoạt động và mạng phối hợp lối vào và lối ra có đặc trưng tần số đều phẳng Tuy nhiên, tự bản thân các transistor, ví dụ như FET, giảm khuyếch đại 6dB/octave Do đó, để đạt được khuyếch đại đều phẳng cả dải, mạng phối hợp giữa các tầng phải đưa vào độ dốc khuyếch đại dương 12dB/octave Đối với mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng, mạng phối hợp là không tổn hao, do đó phải đạt độ bổ xung khuyếch đại bằng cách làm mất phối hợp theo tần số lối ra tầng thứ nhất và lối vào tầng thứ hai Nếu trở kháng lối vào và lối ra của transistor được mô tả bằng một mạng điện trở - tụ điện đơn giản, có thể tổng hợp mạng nối tầng theo nguyên tắc đầu tiên bằng cách khảo sát các cực và các

điểm không, để có đặc trưng tổn hao chèn cần thiết [2] Ngày nay, có rất nhiều công cụ CAD có thể thực hiện tổng hợp bộ lọc và mạng phối hợp Nhưng, cần hết sức cẩn thận khi xác định các tham số đặc trưng tần số cần thiết: các loại công cụ tổng hợp này sẽ sẵn sàng cho lời giải nhưng quá phức tạp với những giá trị linh kiện không thực tế

Trang 35

34

Hình 1.17 Mạch khuyếch đại hai tầng chung

Độ ổn định là vấn đề chính của mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng

đầy đủ về sự ổn định của mạch khuyếch đại Ví dụ, một tầng khuyếch đại trung

một trở kháng làm mạch rơi vào miền không ổn định Dao động giữa các tầng

do đó có thể tồn tại mà không thể dự báo được từ các tham số S hai cực

Chắc chắn ổn định là một thách thức đặc biệt trên tần số thấp, khi linh

được khảo sát riêng Hơn nữa, những phản hồi không mong muốn có thể là hậu quả của nối đất không chất lượng hoặc khử ghép nguồn một chiều xấu

1.6 Phối hợp có tổn hao

Mạch khuyếch đại phối hợp có tổn hao sử dụng điện trở trong mạng phối hợp để đạt được khuyếch đại đều phẳng trong cả dải thông rộng Bố trí mạch tiêu chuẩn nhất là sử dụng các điện trở mắc nối tiếp với nhánh cụt trở kháng cao

ở cả hai lối vào và lối ra, như biểu diễn trên hình 1.18a ở tần số thấp, các nhánh cụt có điện kháng nhỏ, các điện trở là tải của transistor làm giảm khuyếch đại ở tần số cao, nhánh cụt có điện kháng cao (đến vô cùng khi chúng

có độ dài phần tư bước sóng), còn các điện trở có ảnh hưởng nhỏ đến transistor

Do đó, mạng phối hợp có thể đưa độ dốc khuyếch đại dương vào để cân bằng sự tụt khuyếch đại của transistor mà không cần quan tâm phối hợp Mạch khuyếch

đại phối hợp có tổn hao có khuyếch đại rất lớn, rất đều bằng và có phối hợp lối vào và lối ra tốt Thêm vào đó, các điện trở dễ dàng giải quyết vấn đề ổn định ở tần số thấp Nhược điểm của mạch khuyếch đại loại này so với mạch khuyếch

đại phối hợp điện kháng là chúng có khuyếch đại thấp hơn, công suất ra nhỏ hơn và hệ số tạp lớn hơn

Mạng lối

ra Thiết bị

Trang 36

Rd

b a

0 G 11

Z G 1

Z G 1 S

+

ư

0 D ds

0 D ds 22

Z ) G G ( 1

Z ) G G ( 1 S

+ +

0

2

Z g

cho danh định 8dB đối với MESFET 800àm Mô hình tần số thấp mô tả rõ ràng

độ rộng cửa của FET xác định khuyếch đại tần số thấp của mạch khuyếch đại phối hợp có tổn hao trong trường hợp phối hợp lý tưởng như thế nào

1.7 Mạch khuyếch đại FET có phản hồi

Mạch khuyếch đại FET có phản hồi là giải pháp rất chung cho các mạch khuyếch đại MMIC dải rộng Kỹ thuật này cho khuyếch đại đều phẳng với phối hợp tốt lối vào và lối ra và có thể đạt được mức công suất ra vừa phải (hàng

Trang 37

36

trăm mW) Có thể sử dụng nó như một khối khuyếch đại chung hoặc một mạch khuyếch đại trung tần cho hệ thống song milimét Cơ sở của kỹ thuật là phản hồi âm đặt lên FET bằng cách nối điện trở (cỡ trăm Ohm) từ drain đến gate

Điều đó có hiệu ứng ổn định linh kiện và có thể làm cho trở kháng lối vào và lối ra gần tới 50Ω hơn nhiều Điều đó rất có lợi, vì FET có điện trở vào rất thấp

và điện trở ra cao ở tần số thấp và rất khó phối hợp chúng với 50Ω, vì dải giá trị các phần tử bị hạn chế do các phần tử tập trung của MMIC Thông qua việc sử dụng phản hồi, mạng phối hợp trở thành đơn giản [14] Hơn nữa, đặc trưng khuyếch đại trở nên kém nhạy với sự thay đổi của các tham số FET tương đối với nhau

Để có đặc trưng tốt nhất, cần phải bổ xung một loạt phần tử trong mạch khuyếch đại Hình 1.19 trình bày một mạch khuyếch đại phản hồi phối hợp [15] phù hợp sử dụng ở tần số xấp xỉ 10GHz Mỗi phần tử có vai trò đặc biệt để đạt

khuyếch đại và dải thông nhiều khi lại được lấy theo kiểu chọn cái này bỏ cái

phía cao của đặc trưng tần số và như thế mở rộng được dải thông Mặc dầu mạng phản hồi làm cho trở kháng lối vào và lối ra rất gần với 50Ω, vẫn cần các phần tử phối hợp bổ xung để có tổn hao phản hồi lối vào và lối ra tốt Các phần

thiên áp dương ở drain với thiên áp âm ở gate Như vậy đã hoàn thiện một mạch khuyếch đại phản hồi phối hợp cơ bản

Trang 38

Hình 1.19 Sơ đồ một mạch khuyếch đại FET phản hồi phối hợp

Trên thực tế, mạng phối hợp có thể phức tạp hơn nhiều, và do đó, sau khi thiết

kế xong mạch cơ bản sẽ dùng CAD tối ưu hóa toàn mạch Dải thông đạt cao bằng 1 đến 10GHz và 6 đến 18GHz [16, 17]

như vậy giúp cho ổn định, trong khi đó có thêm một chút ảnh hưởng đối với khuyếch đại tần số cao

đăng kí phát minh [18] là kỹ thuật thực hiện mạch khuyếch đại dải rộng có linh kiện van nhiệt Ngay từ những năm 1980, kỹ thuật này trở thành rất phổ biến cùng với MESFET GaAs được sử dụng trong các mạch khuyếch đại phân bố

đơn khối để đạt được khuyếch đại cao tần dải thông rộng hàng chục lần [19, 20] Điểm mạnh thực tế của kỹ thuật này là cùng với công nghệ MMIC, mạch

Trang 39

38

khuyếch đại có thể đạt dải thông cực rộng bằng một tôpô mạch đơn giản đến mức không nhạy cảm với sự tản mác công nghệ

Trong cấu hình chung nhất, các điện dung thành tụ shunt trong mạng

phân bố FET, đường truyền gate và đường truyền drain được trình bày trên hình 1.20 Tín hiệu vào chạy xuống đường truyền gate, kích thích từng FET liên tiếp nhau và bị điện trở đầu cuối hấp thụ Điện cảm hỗ dẫn của FET khuyếch đại tín hiệu và đặt vào đường truyền drain Nếu tốc độ trên đường truyền gate và đường truyền drain xấp xỉ bằng nhau, tín hiệu từ mỗi FET sẽ cộng với nhau tại lối ra Tại tần số cao, các tín hiệu sẽ bị triệt tiêu nhiều trên đầu cuối trở về của đường truyền drain, ngoại trừ trường tần số thấp Đầu cuối đường truyền drain sẽ hấp thụ bất kỳ tín hiệu không mong muốn nào xuất hiện trên đầu cuối trở về

Hình 1.20 Mạch khuyếch đại phân bố:

(a) - sơ đồ mạch, (b) - một bậc của thang K hằng số

Thiết kế cơ bản của mạch khuyếch đại phân bố FET có thể thực hiện rất

trưng của đường dây giả được tính:

Trang 40

Rõ ràng rằng, đối với Z 0 (thường bằng 50Ω) và điện dung của transistor đã cho,

source lớn hơn điện dung drain - source, nó sẽ xác định tần số cắt và do đó tần

số làm việc cực đại Ví dụ, một mạch khuyếch đại sử dụng FET độ rộng cửa

lớn hơn hạ thấp hơn tần số cắt

phân bố có thể đạt được khếch đại lớn hơn bằng cách sử dụng nhiều ngăn hơn Nhưng thực tế FET chỉ ra rằng, số lượng hữu ích các ngăn bị giới hạn

1.8.1 Tổn hao đường truyền gate - drain

đã chỉ ra rằng, mạch khuyếch đại phân bố n ngăn có khuyếch đại công suất:

4

Z g n G

2 0 2 m

2

trên thực tế, số lượng ngăn bị giới hạn do tổn hao đường truyền gate và drain

sẽ hấp thụ một phần tín hiệu chạy xuống đường truyền drain Đã chứng minh

được rằng, tổn hao đường truyền drain về bản chất phải không đổi theo tần số, trong khi tổn hao đường truyền gate tăng nhanh theo tần số và là giới hạn quan trọng nhất trong hầu hết trường hợp Hậu quả của tổn hao đường truyền gate là các FET mắc liên tiếp dọc đường truyền gate nhận được tín hiệu vào với mức giảm dần Hậu quả tiếp theo là sau một số ngăn nhất định, tín hiệu vào trở thành quá yếu đến mức nếu bổ xung thêm ngăn cũng không đem lại lợi ích nào: như vậy đã tìm được số lượng tối ưu các ngăn khi đã biết mức độ tổn hao đường truyền gate và drain Các tầng bổ xung sau số lượng tối ưu sẽ hầu như không có tín hiệu trên đường truyền drain vì tín hiệu vào đã bị tổn hao quá lớn Hơn nữa,

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại
Tác giả	TS Nguyễn Thị Ngọc Minh
Trường học	Trung Tâm Khỉết Kế Công Nghệ và Gia Công Mạch Dải
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử và vi mạch
Thể loại	Báo cáo khoa học
Năm xuất bản	2007
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	905,35 KB