Chương 4: NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP pptx

Chất lượng thu của hệ thống điện tử thông tin đánh giá theo tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ngõ vào máy thu.. Như vậy ngoài sự hiện diện của nhiễu ngoài ở ngõ vào máy thu,

Chương 4

NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhiễu (Tạp âm) là tín hiệu không mong muốn, xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau (dưới dạng điện áp hay dòng điện) chèn vào tín hiệu hữu ích làm giảm chất lượng tín hiệu thu dẫn đến sai lệch thông tin

Nhiễu vấn đề rất quan trọng của điện tử thông tin và xử lý tín hiệu

Chất lượng thu của hệ thống điện tử thông tin đánh giá theo tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ngõ vào máy thu

) nhiễu của bình trung suất công ( P

) hiệu tín của bình trung suất công (

P N

S N

S

N

S P

P lg 10 ) dB ( N

N

S

chỉ sự tương quan độ mạnh của tín hiệu so với nhiễu Nếu NS nhỏ hơn giá trị ấn định ngưỡng, tín hiệu thu không đạt chất lượng, thông tin bị sai lệch

Nhiễu có thể được chia thành hai loại:

- Nhiễu ngoài: gây ra bởi môi trường truyền

- Nhiễu trong (nội) gây ra do thiết bị thu

1 Nhiễu ngoài:

a) Nhiễu nhân tạo: gây ra bởi các cơ chế tia lửa điện như: động cơ điện đèn huỳnh

quang, đánh lửa động cơ xe, … chúng đến anten thu theo cách giống như tín hiệu vô tuyến Nhiễu này xuất hiện ngẫu nhiên ở vùng tần số dưới 500MHz

b) Nhiễu khí quyển: một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo động bầu khí quyển

trái đất, chủ yếu do sấm chớp Phổ của nó được xem như là vô hạn, nhưng có mật tỷ lệ nghịch với tần số do đó thường chỉ gây ảnh hưởng trong vùng tần số nhỏ hơn 20MHz

c) Nhiễu vũ trụ: gây ra bởi bức xạ mặt trời, mặt trăng, sao, thiên hà … Chúng có

phổ từ 8MHz đến l,5GHz Thật ra chúng có chứa thành phần tần số thấp hơn 8MHz, tuy nhiên các thành phần đó bị hấp thụ bởi tầng điện ly của trái đất trước khi đến mặt đất

2 Nhiễu trong

Nhiễu trong hay còn gọi là nhiễu nội được tạo ra bởi chính máy thu Như vậy ngoài sự hiện diện của nhiễu ngoài ở ngõ vào máy thu, còn có nhiễu nội quy về ngõ vào, gây ảnh hưởng mạnh nhất tại tầng khuếch đại đầu tiên của máy thu (Rx) vì tại nơi đây tín hiệu thu có mức nhỏ nhất trên nên nhiễu lớn nhất do đó NS nhỏ nhất Các tầng khuếch đại sau tầng đổi tần cũng tạo nhiễu nhưng ít ảnh hưởng so với tầng đầu Máy thu phải được thiết kế cẩn thận với đặc tính nhiễu thấp Tầng khuếch đại cao tần nhiễu thấp ngõ vào Rx còn gọi là khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amp)

Nhiễu nội ngẫu nhiên trong máy thu phần lớn ở dạng nhiễu nhiệt, nhiễu shot, nhiễu l/f, transit - time noise

Nhiễu ngẫu nhiên nói chung, được mô tả bằng đặc tuyến thống kê Tại mỗi thời điểm, biên độ nhiễu không thể dự đoán chính xác, nhưng có thể diễn đạt qua hàm mật độ xác suất

Giá trị trung bình bình phương của điện áp hay dòng điện nhiễu được diễn tả như công suất nhiễu Ngoài ra nhiễu cũng thường biểu diễn dưới dạng hàm mật độ phổ công suất nhiễu (W/ Hz)

4.2 NHIỄU NHIỆT (THERMAL NOISE)

Nhiễu nhiệt gây ra bởi sự dịch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử và iôn trong các vật dẫn, điện trở Nó được nghiên cứu và phát hiện bởi J.B Johnson năm 1928 nên còn gọi là nhiễu Johnson Nhiễu nhiệt phát sinh ở dạng điện áp hay dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ, có phổ trải dài vô hạn nên còn có tên là nhiễu trắng

Công suất nhiễu nhiệt xác định bởi:

N = Pn = k.T.B

k - hằng số Boltzmann 1,83.1023J/K

T - nhiệt độ tuyệt đối điện trở, tính bằng độ K (X0C+2730)

B - băng thông hệ thống đang xét (Hz)

Công suất nhiễu tỷ lệ với băng thông, do đó để giảm công suất nhiễu các máy thu cần thiết kế sao cho có băng thông là nhỏ nhất

Xét nguồn nhiễu gây ra bởi điện trở R có gắn tải phối

hợp RL

Khi đó điện áp nhiễu en sẽ chia đôi trên R và RL Công

suất nhiễu trên điện trở R sẽ là:

( ) k.T.B R

2 / E P

n

Điện áp hiệu dụng nhiễu của điện trở R phát sinh nhiễu:

R B T k 4

En = hay En2 = 4k.T.B.R

Ví dụ: Tìm điện áp nhiễu tạo ra bởi điện trở R = 1MΩ ở nhiệt độ phòng 170C trên băng thông 1MHz

Giải:

Áp dụng công thức:

(273 17).10 10 126 V

10 38 , 1 4 R B T k 4

Từ ví dụ trên ta thấy rằng một volt kế với trở kháng ngõ vào 1MΩ có băng thông 1MHz sẽ tạo ra một điện áp nhiễu 126 µV tại đầu vào Do vậy một tín hiệu khoảng 500

µV hoặc nhỏ hơn sẽ đo không chính xác bằng volt kế có băng thông như trên nhưng trở kháng ngõ vào chỉ 50Ω và chỉ gây ra một điện áp nhiễu 0,9 µV Điều này lý giải tại sao trở kháng thấp là điều mong muốn đối với các mạch nhiễu thấp

R f kT 4

En = ∆

R

RL 2

En

Hình 4.1 Mạch tương đương nguồn nhiễu có

Ví dụ: Một bộ khuếch đại hoạt động ở 270C có băng thông 4MHz, điện trở ngõ vào 100Ω Độ lợi điện áp 200Ω; tín hiệu ngõ vào hiệu dụng 5 µV Xác định tín hiệu và nhiễu ở ngõ

ra, giả sử bỏ qua nhiễu ngoài

Giải:

Mức nhiễu ngõ vào:

(273 27).4.10 100 2,57 V

10 38 , 1 4 R B T k 4

Mức nhiễu ngõ ra Eno = 200.2,57 = 0,514 mV

Mức tín hiệu ngõ ra Vo = 200.5 = 1mV

Tỷ số điện áp tín hiệu trên nhiễu ngõ ra EV 0,5141 1,95

no

Đây là một tỷ số khó được chấp nhận cho một bộ khuếch đại trong một hệ thống thông tin

Bình phương điện áp nhiễu gây bởi hai điện trở mắc nối tiếp

En = En12 + En22 = 4k.T(R1 + R2).B

B kTR 4

E2 1

1 =

B kTR 4

E2 2

2 =

R2

B ) R R ( kT 4 E E

2

2 1

2

Tương tự, điện áp nhiễu bình phương của hai điện trở mắc song song là:

B R R

R R T k 4 E

2 1

2 1 2

Nói chung, nhiễu nhiệt không chịu ảnh hưởng bởi dòng điện chảy qua điện trở (trừ điện trở Carbon - thường dùng trong thiết bị điện tử phổ thông như ampli, điều khiển điện tử, không phù hợp với phần cao tần máy thu) dòng điện ảnh hưởng tới nhiễu được tạo ra trong bán dẫn dưới dạng nhiễu bán dẫn

4.3 NHIỄU BÁN DẪN (TRANSISTOR NOISE)

Một nguồn nhiễu ngẫu nhiên quan trọng cần xét trong thiết kế mạch là nhiễu của các phần tử tích cực bán dẫn : diode, BJT, FET, IC … gồm nhiều tần số thấp (excess noise) nhiễu tần số cao (Transit - time noise) và đặc biệt là nhiễu shot

a) Excess noise: phát minh bởi khuyết tật bề mặt tinh thể bán dẫn Đối với BJT,

FET xảy ra tần số dưới 1 KHz, hàm mật độ phổ công suất nhiễu tỷ lệ nghịch với tần số, tỷ lệ thuận với nhiệt độ và dòng DC Nó còn gọi là nhiễu Flicker hay nhiễu 1/f

b) Transit - time noise: xuất hiện ở vùng tần số cao quanh tần số cutoff của thiết

bị, khi thời gian di chuyển của điện tích qua mối nối có thể sánh được với chu kỳ của tín hiệu, sẽ có một ít điện tích khuếch tán ngược trở lại nguồn hoặc Emitter

c) Shot noise: gây ra bởi bản chất dịch chuyển của dòng điện trong chất bán dẫn

Các hạt mang điện trong chất bán dẫn không di chuyển thành dòng một cách liên tục ổn định, ngay cả dòng DC bởi vì khoảng cách mà chúng di chuyển phụ thuộc một cách ngẫu nhiên vào đường chuyển động

Khi có dòng điện chảy qua tiếp giáp P-N phân cực thuận thì phát sinh dòng điện nhiễu shot: In = 2qIDC.B hay In2 = 2qIDC.B

q - điện tích điện tử l,6.l0-19C

IDC - dòng DC

B- băng thông

Mô hình nhiễu shot khi thời gian di chuyển của điện tích qua tiếp giáp nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu

DC

d qI

kT

r =

rd - điện trở động tiếp giáp phân cực thuận diode

in

IDC

Hình 4.1 Mô hình nhiễu shot.

DC

d qI

kT

r =

Giống như nhiễu nhiệt, nhiễu shot hoàn toàn ngẫu nhiên và có mật độ phổ công suất bằng phẳng trải theo tần số

Ví dụ: Xác định dòng nhiễu và điện áp nhiễu tương đương của diode có mô hình trên Cho

IDC = l mA ; B = 10MHz; to = 17oC

Giải:

B qI 2

In = DC = 56,6 nA

Điện trở động tiếp giáp r =r =qIkT =I26((mVmA))=26Ω

DC DC d

En = In.rd = 56,6.10-9.26 = 1,47 µV

4.4 MẬT ĐỘ PHỔ CÔNG SUẤT NHIỄU VÀ TÍNH TOÁN

Để tính toán nhiễu của mạch, cần xác định nhiễu của các thành phần mạch Công suất nhiễu của các nguồn nhiễu cộng lại thành tổng công suất nhiễu của mạch

Giả sử Pn là tổng công suất nhiễu có được trong băng thông B Ta có

) Hz / W ( kT B

P

B

N

o = = = - công suất nhiễu ở băng thông 1 Hz còn gọi là mật độ phổ nhiễu Khi xem xét nhiễu trong mạch có phần tử bán dẫn, điện trở ta sẽ tính điện áp nhiễu, dòng nhiễu, mật độ phổ nhiễu, công suất nhiễu Sau đó tính nhiễu với băng thông xem xét

Ví dụ: Cho mạch sau ở to = 27oC

BPF lý tưởng R

D, Si

20K

V

rms volmeter +10V

KHz 100

f =

∆

Hình 4.3.

Mật độ phổ điện áp nhiễu nhiệt của điện trở R: 4k.T.R(V /Hz)

B

Tương tự có mật độ phổ dòng nhiễu nhiệt của điện trở R:

2

2 n 2

2 n

ther

2 n

RB

E B R

E B









R - điện trở gây ra nhiễu nhiệt

Mật độ phổ dòng nhiễu shot của diode: 2n 2qI.DC

B

I =

Mật độ phổ điện áp nhiễu shot do có dòng điện chảy qua rd:

shot

2 n 2 d

2 d

2 n

shot

2 n

B

I r B

r

I B

E









=

=









rj = rd - điện trở động tiếp giáp diode

Tổng điện áp nhiễu trên diode gồm:

d

2 n 2 d shot

2 n

r , Ther

2 n

shot

2 n

Total

2 n

B

I r B

E B

E B

E B

E







 +









=







 +









=







 Trong đó

2 n

Ther

2 n

R B E

B

I = 









Total

2 n 2 d

2 n

2 n 2 d Shot

2 n 2 d Ther

2 n 2 d Total

2

n

B

I r shot B

I ther B

I r B

I r B

I r B

E









=







=







 +









=









Giả sử bộ lọc thông giải BPF lý tưởng có băng thông ∆f, khi đó điện áp nhiễu tổng cộng trong băng thông xem xét:

B shot B

E ther B

E

n =  + 

Ví dụ: Xác định điện áp nhiễu ở hình 4.3.

Giải:

Điện trở R gây ra mật độ phổ (điện áp) nhiễu nhiệt:

B

E2

n = 4k.T.R = 4 l,38.l0-23.(273+27).20.103 = 3,32.10-16 (V2/Hz) Nhiễu nhiệt tạo bởi diode rất nhỏ so với nhiễu nhiệt gây ra bởi điện trở R = 20 KΩ

BPF 20K

V

Hình 4.4 Mô hình nhiễu tương đương mạch hình 4.3.

In

En

Dòng một chiều qua diode IDC 1020VK 7=0,465mA

Ω

−

Mật độ phổ dòng điện nhiễu shot:

B

I2

n = 2q.IDC = 2 l,6.l0-19.0,465.10-3 = 1,488.10-22 (A2/Hz)

Điện trở động tiếp giáp P-N: r I26((mVmA))

DC

d = Mật độ phổ dòng nhiễu nhiệt gây bởi điện trở R = 20 KΩ

Hz / A 10 3 , 8 ) 10 23 (

10 32 , 3 R B E

B

2 3

16 2

2 n

Ther

2







 Điện áp nhiễu nhiệt qua diode

ther

2 n 2 d ther

2 n

B

I r B

E









=









Trong đó : rd = 0,26465(mV(mA) )=55,9Ω

ther

2 n B

E









= (55,9)2.(8,3.10-25) = 2,6.10-21 V2/Hz

Dòng nhiễu shot của diode tạo nên điện áp nhiễu shot

shot

2 n 2 d shot

2 n

B

I r B

E









=









= (55,9)2.(1,488.10-22) = 4,65.10-19 V2/Hz

Tổng mật độ điện áp nhiễu trên diode

Ther

2 n

shot

2 n

Total

2 n

B

E B

E B

E







 +









=









= 4,650.10-19 + 0,026.10-19 = 4,676.10-19 V2/Hz

Ở đây nhiễu shot mạnh hơn nhiều nhiễu nhiệt Qua bộ lọc BPF, tổng điện áp nhiễu ngõ ra:

5 19

shot

2 n

ther

2 n

B

E B

E























 +









4.5 TÍNH TOÁN NHIỄU.

1 Hệ số nhiễu (noise Figure)

Tỷ số NS thể hiện thành phần nhiễu tại bất kỳ một điểm nào đó trong hệ thống, nhưng không là một thông số để chỉ ra có bao nhiêu nhiễu được cộng thêm vào trên đường truyền tín hiệu, chẳng hạn từ ngõ vào tới ngõ ra bộ khuếch đại Nhiễu được cộng thêm ở đây là nhiễu nhiệt, nhiễu bán dẫn Hệ số nhiễu (Noise Figure - NF) là đại lượng đặc trưng cho vấn đề này và được định nghĩa như sau:

Ni Si

P / P lg 10 NR lg 10 NF









=

No So

Ni Si P / P

P / P

NR (Noise Ratio - tỷ số nhiễu)

(PSi / PNi ) tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu tại ngõ vào

(PSo / PNo ) tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ở ngỏ ra

Bộ khuếch đại lý tưởng có

No

So Ni

Si P

P P

⇒ NR = l; NF = 0 dB

Trong thực tế không bao giờ có được như vậy NF do nhà chế tạo cung cấp NF < 3dB là tốt, NF < 1,2 dB - rất tốt

Ví dụ: Bộ khuếch đại dùng BJT có NS tại ngỏ vào là 10 và tại ngỏ ra là 5 Tính NR và NF

Giải:

2 5

10 P

/ P

P / P NR

No So

Ni









=

NF = 10 lgNR = l01g2 = 3 dB

2 Ảnh hưởng của trở kháng đối với nhiễu

Theo lý thuyết trở kháng không gây ra nhiễu tới hệ thống Điều này chỉ đúng với các tụ điện và cuộn cảm lý tưởng, thực tế các phần tử kháng này luôn có thành phần điện trở tổn hao mà chính nó sẽ gây ra nhiễu Nhưng nhiễu gây ra bởi các thành phần tổn hao này có ảnh hưởng không đáng kể tới hệ thống so với nhiễu nhiệt và nhiễu shot, do vậy chúng thường được bỏ qua

Ảnh hưởng của các mạch có tính kháng RC, LC, RTC RL là băng thông nhiễu Giả sử mạch có băng thông - 3dB là băng thông B thì băng thông tương đương được dùng để tính nhiễu được tính:

B 2

Bn = π

Vậy băng thông nhiễu luôn lớn hơn băng thông hệ thống, tức là nhiễu vẫn qua hệ thống ở dưới tần số cắt - 3dB

3 Nhiễu do nhiều tầng khuếch đại ghép liên tiếp

Giả sử biết tỷ số nhiễu NRn và hệ số khuếch đại công suất Apn của n tầng khuếch đại ghép nối tiếp Tỷ số nhiễu của hệ thống được tính theo công thức Friss:

1 pn 2 1

n 2

1

3 1

2

1 NR

A A

1

NR A

1 NR NR

NR

−

− +

+

− +

− +

=

Ví dụ: Cho 2 tầng khuếch đại với thông số sau:

NF1 = 2dB

AP1 = 12dB

NF2 = 6dB

AP2 = 10dB

Tính NR và NF hệ thống

Giải:

NF1 = 2 dB ⇒ NR1 = 1,59; Ap1 = 12 dB ⇒ Ap1 = 15,9

NF2 = 6 dB ⇒ NR2 = 4; Ap2 = 10 dB ⇒ Ap1 = 10

779 , 1 9 , 15

1 4 59 , 1

NF = l01g l,779 = 2,5 dB

4 Nhiệt độ nhiễu tương đương

Thông thường NR nằm giữa 1 và 10 Để mở rộng thang đo, biểu diễn tỷ số nhiễu qua nhiệt độ nhiễu tương đương Teq rất thuận tiện tính toán công suất nhiễu cho các thiết microwave, thông tự vệ tinh …

Teq = T(NR-1)

T - nhiệt độ tuyệt đối = 2730 + t0 môi trường

Như vậy với mức nhiễu thấp thì Teq biến đổi lớn hơn NF, dễ so sánh và dễ hiểu hơn NF, nên thường được dùng

Ví dụ: NF =1dB ⇒ NR = 100,1 = 1,26 ⇒ Ở nhiệt độ phòng 17oC có Teq = 75oK

Tương tự với NF =1,6dB ⇒ NR = 100,16 = 1,44 ⇒ Teq ≈ 180K

Nhiễu được xem xét nhiều ở tần số viba do tác động mạnh ở tần số cao nhiều hơn, trong đó nhiễu nội đóng vai trò quyết định giới hạn khả năng (độ nhạy) của các hệ thống thông tin hiện đại

Mức nhiễu trong hệ thống tỷ lệ thuận với nhiệt độ, băng thông, dòng chảy trong mạch, độ lợi, điện trở Nhiễu thấp khi mạch có độ lợi nhỏ, dòng DC và điện trở nhỏ, băng thông nhỏ, nhiệt độ thấp

Mức tín hiệu (điện áp hay công suất) nhỏ nhất ngỏ vào máy thu ứng với tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu cho trước ngõ ra gọi là độ nhạy

4.6 BÁN DẪN KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

Bộ khuếch đại cao tần (RF Amp - LNA) nằm ở ngỏ vào máy thu có nhiệm vụ: phối hợp trở kháng với anten, tiền chọn lọc tín hiệu cao tần, loại nhiễu tần số ảnh (fIMage = fc + 2fIF), khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào máy thu tới mức cần thiết đổi tần, tăng độ nhạy máy thu

LNA thường có từ 1 đến 3 tầng khuếch đại tuyến tính có điều hưởng chọn lọc tần số - băng thông tín hiệu mong muốn và AGC (Automatic Gain Control) Mỗi tầng cung cấp độ lợi từ 10 ÷ 30 dB

Các linh kiện tích cực nhiễu thấp được dùng là BJT, JFET, MOSFET, GaAsFET, MESFET, HEMT (High electron mobility transistor)

Từ công thức Friss:

1 pn 2 1

n 2

1

3 1

2

1 NR

A A

1

NR A

1 NR NR NR

−

− +

+

− +

− +

=

Ta thấy tầng đầu tiên quan trọng nhất, cần có hệ số nhiễu thấp và hệ số khuếch đại công suất cao, dẫn đến công suất tiêu tán tăng, nhiễu tăng Do đó phải thoả hiệp trong

thiết kế LNA sao cho tầng đầu có NF1 cực tiểu với Ap1 đủ lớn, tần thứ hai có NF2 vừa phải và Ap2 lớn

Trong RFamp dùng BJT, nguồn nhiễu nội là shot noise của tiếp giáp Emitter – Baze và Baze - Collector, nhiễu nhiệt của điện trở Baze và điện trở phân cực

Bán dẫn cao tần nhiễu thấp (Low noise Transistor) được chế tạo bằng công nghệ đặc biệt nhiều tiếp giáp Emitter, giảm điện trở cực Baze, tăng độ lợi β Tuy nhiên tần số tăng thì NF cũng tăng 6 dB/ octave

10

NF

dB

10 f

8

6

4

2

10

NF dB

IC mA

8 6 4 2 5

12

15 10

Hình 4.5 Đồ thị NF của BJT theo tần số và dòng phân cực.

Mỗi BJT nhiễu thấp có trở kháng tối ưu phụ thuộc vào tần số cho bởi nhà sản xuất JFET có trở kháng vào và ra lớn, NF rất thấp, đáp tuyến tuyến tính tần số hoạt động cao, độ khuếch đại lớn Thường dùng làm LNA tầng đầu máy thu cao cấp (thông tin vệ tinh, viba)

MOSFET hai cực cửa có NF cao hơn JFET một ít do có diode zener bảo vệ tĩnh điện ngỏ vào Các đặc điểm khác giống JFET nhưng trội hơn ở chỗ thuận tiện thiết kế mạch khuếch đại có AGC nhờ cực cửa thứ hai

GaAs FET được ứng dụng nhiều ở tần số viba (>1 GHz), các điện tích chuyển động trong GaAs nhanh hơn nhiều so với BJT cùng kích thước, đáp ứng tần số cao tốt, nhiễu đặc trưng bởi NF nhỏ (< 1 dB), độ khuếch đại lớn, tuyến tính Công nghệ chế tạo GaAsFET nhỏ hơn BJT GaAsFET ứng dụng nhiều trong công nghệ MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), đổi A/D tốc độ cao …

Một công nghệ hứa hẹn khác cho LNA ở tần số viba là SiGeHBT (Silicon - Gemanium heterojunction bipolar transistor) hoạt động với điện áp thấp, công suất tiêu tán nhỏ, tích hợp cao, giá rẻ, tần số làm việc cao

MESFET (Metal - Semiconductor FET) là JFET trên nền N - GaAs với cực cửa dạng diode shottky đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, hệ số khuếch đại lớn, tần số hoạt động cao

Một dạng khác của JFET là HEMT (High electron Mobility transistor) có cấu trúc màng mỏng, nhiễu thấp ở tần số rất cao NF = 1,8 dB ở 40 GHz và 2,6 dB ở 62 GHz Ap =

11 Hiện nay HEMT có fT = 362 GHz