KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TUYẾN TÍNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN

BÀI 3 – PHẦN 1KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TUYẾN TÍNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN1.CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM: 1.1.Mô hình mạch khuếch đại: Mô hình tổng quát của một mạch khuếch đại siêu cao tần: phần tử khuếch đại có ma trận đặc tính S, là một mạng 2 cửa: cửa 1 và cửa 2, có sóng tới và sóng về tương ứng là a1, b1 và a2, b2. Việc thiết kế và phân tích mạch thường phải dựa trên mô hình tán xạ S. Chú ý các nội dung chính sau: •Hệ số truyền đạt công suất •Phối hợp trở kháng vào ra của mạch khuếch đại •Sự ổn định của mạch khuếch đại •Phân cực DC •Mô hình transistor đơn hướng •Nhiễu trong mạch khuếch đại siêu cao tần1.2.Thiết bị sử dụng trong việc đoMáy đo ZVB8 Module khuếch đại siêu cao tần (AMP) Module AMP1Module AMP2Sơ đồ kết nối: •1: port 1 máy đo ZVB8 nối với port in module AMP•2: module AMP •3: port out module AMP •4: bộ suy giảm 20dB •5: port 2 máy đo ZVB8 •6: nối với nguồn DC 1.3.Câu hỏi chuẩn bịCâu 1. Cho biết ý nghĩa của hệ số truyền đạt ?Hệ số truyền đạt : Trong đó, lần lượt là công suất tín hiệu tiêu thụ trên tải và công suất tín hiệu tối đa nguồn có thể cung cấp (công suất thực đến ngõ vào cửa 1 khi phối hợp trở kháng nguồn và trở nhìn vào cửa 1). phụ thuộc vào và , đặc biệt là – hệ số truyền đạt công suất riêng của phần tử khuếch đại.Khi thì : chỉ phụ thuộc vào phần tử khuếch đại.Khi hoặc khác thì có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn , nó còn phụ thuộc vào . Điều đó cho thấy tầm quan trọng của phối hợp trở kháng đầu vào.

NHÓM 3 NGUYỄN DUY TÂN

HỒ PHÚ THÁI NGUYỄN PHÚC THIỆN

HỒ QUỐC TÍN

BÀI 3 – PHẦN 1 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TUYẾN TÍNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN

1 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM:

1.1 Mô hình mạch khuếch đại:

Mô hình tổng quát của một mạch khuếch đại siêu cao tần: phần tử khuếch đại có ma trận đặc tính [S], là một mạng 2 cửa: cửa 1 và cửa 2, có sóng tới và sóng về tương ứng là a1, b1 và a2, b2 Việc thiết kế và phân tích mạch thường phải dựa trên mô hình tán xạ [S]

Chú ý các nội dung chính sau:

• Hệ số truyền đạt công suất

• Phối hợp trở kháng vào ra của mạch khuếch đại

• Sự ổn định của mạch khuếch đại

• Phân cực DC

• Mô hình transistor đơn hướng

• Nhiễu trong mạch khuếch đại siêu cao tần

1.2 Thiết bị sử dụng trong việc đo

Module khuếch đại siêu cao tần (AMP)

Sơ đồ kết nối:

• 1: port 1 máy đo ZVB8 nối với port in module AMP

• 2: module AMP

• 3: port out module AMP

• 4: bộ suy giảm 20dB

• 5: port 2 máy đo ZVB8

• 6: nối với nguồn DC

1.3 Câu hỏi chuẩn bị

Câu 1 Cho biết ý nghĩa của hệ số truyền đạt ?

Hệ số truyền đạt :

Trong đó, lần lượt là công suất tín hiệu tiêu thụ trên tải và công suất tín hiệu tối đa nguồn có thể cung cấp (công suất thực đến ngõ vào cửa 1 khi phối hợp trở kháng nguồn và trở nhìn vào cửa 1)

phụ thuộc vào và , đặc biệt là – hệ số truyền đạt công suất riêng của phần tử

Khi thì : chỉ phụ thuộc vào phần tử khuếch đại.

Khi hoặc khác thì có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn , nó còn phụ thuộc vào Điều đó cho thấy tầm quan trọng của phối hợp trở kháng đầu vào

Câu 2 Các cách phân cực DC và những đặc điểm của chúng?

Các cách phân cực chủ yếu để đạt được ổn định nhiệt với chỉ một áp nguồn cung cấp là:

• Base-biased emitter feedback

• Voltage-divider emitter feedback

Diode sẽ giảm điện trở nội, từ đó làm giảm áp thuận trên nó, tù đó làm giảm áp Vbe và dòng gây ra do chuyển động nhiệt.

Collector-feedback bias: rẻ hơn nhưng ổn định nhiệt độ kém hơn.

Đối với transistors lưỡng cực, bộ khuếch đại lớp C dùng 3 kỹ thuật:

• Phân cực tín hiệu

• Phân cực ngoài

• Tự phân cực

Phân cực tín hiệu:

Transistor lớp C không cần phân cực nền, nhưng cần nối đất thông qua RFC để tăng sự ổn định công suất.

Bias Circuit using supply regulator

Các ưu điểm của mạch phân cực trên:

• Trở kháng nguồn thấp, giá thành phải chăng

• Áp phân cực độc lập với áp nguồn cung cấp

• Bù nhiệt dễ thực hiện trên mạch này

Active Voltage-Feedback Bias

Cách mắc phân cực dưới đây dùng hai transistor NPN và PNP hồi tiếp từ collector về cực nền Q1

Source bias, a form of self bias for FET

FET Active Feedback bias

Câu 3 Chức năng của thiết bị ZVB8 trong việc đo các thông số tuyến tính của mạch khuếch đại?

Máy ZVB8 có thể đo được các thông số ma trận S của mạng khuếch đại (và các mạng nhiều cửa) theo tần số và biểu diễn hệ số phản xạ công suất trên đồ thị Smith, từ đó suy được khoảng tần số làm việc của mạch khuếch đại, sự ổn định và các thông số liên quan

Câu 4 Các thông số cho phép cực đại tại các test port của ZVB8 là những thông số nào, giá trị bao nhiêu? Có ý nghĩa gì? Các biện pháp bảo đảm an toàn cho thiết bị đo?

Công suất tối đa: 40dB Đây là công suất cực đại của tín hiệu vào được phép

Biện pháp đảm bảo an toàn cho thiết bị đo:

• Mang vòng tĩnh điện để giảm tĩnh điện ở tay

• Sử dụng bộ suy giảm 20dB để giảm công suất tín hiệu ở port in

• Tăng dần công suất của máy phát Dừng tăng công suất nếu công suất đầu vào gần đạt ngưỡng

Câu 5 Công dụng và ảnh hưởng của bộ suy giảm trong việc thực hiện đo các thông

số tán xạ S dùng ZVB8?

Công dụng của bộ suy giảm:

• Sử dụng bộ suy giảm 20dB để giảm công suất tín hiệu ở port in thiết bị, giúp đảm bảo

an toàn cho thiết bị

Ảnh hưởng của bộ suy giảm:

• Công suất tín hiệu vào bị suy hao 20dB, do đó khi xác định giá trị thực phải lấy giá trị máy đo cộng thêm 20dB

2 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.1 Chuẩn bị trước khi thí nghiệm

Chuẩn bị module cần đo là module AMP, nguồn phát DC, đồng hồ VOM, bộ suy hao 20dB, đeo vòng khử tĩnh điện vào tay khi tháo lắp cáp Làm sạch các đầu port nếu cần, vì có thể bụi bẩn

sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo

Module mạch AMP sẽ dùng để thực hiện thí nghiệm:

2.2 Tiến trình thí nghiệm đối với module AMP1

Bước 1: Thực hiện quá trình calibration trước khi đo đạc

Bước 2: Tiến hành cấp nguồn DC cho module

Bước 3: Kiểm tra ảnh hưởng của nguồn DC lên các port in, out của module AMP

Điện áp DC port in: 0VDC

Điện áp DC port out: 0VDC

Vậy không có DC ở các công của AMP

Bước 4: Gắn bộ suy hao 20dB vào port out module AMP.

Bước 5: Gắn port 1 máy đo ZVB8 vào port in module AMP, port 2 vào port out của bộ suy hao

Xem hình:

Bước 6: Khởi động máy đo ZVB8, ban đầu ta thấy có 1 đường trace hiển thị S11, để

đo S21 ta nhấn MEAS > S21

Bước 7: Thực hiện scale cho trace

Bước 8: Để quan sát được tần số hoạt động tốt nhất của thiết bị, ta dựa vào tần số

mà tại đó hệ số truyền đạt S21 là lớn nhất Sử dụng marker, nhấn MARKER > MARKER1, tiếp tục nhấn SEARCH > MAX SEARCH

Thực hiện phép đo ta thu được các kết quả:

Hệ số

Tại tần số 120MHz, Hệ số truyền đạt công suất của phần tử khuếch đại:

Ta sử dụng đồ thị Smith để quan sát các thông số đặt trưng S11 và S22, đề xem sự phối hợp trở kháng ở 2 cửa vào ra

Để quan sát bằng Smith, nhấn FORMAT > Smith Đồ thị S22:

Cửa 2 phối hợp trở kháng tốt Mạch hoạt động ổn định

Đồ thị S11:

Cửa 1 phối hợp trở kháng chưa tốt do ta không có quá trình calibration trong khâu chuẩn bị.

Bước 9: tháo module AMP1

2.3 Tiến trình thí nghiệm đối với module AMP2:

Các bước tiến hành giống với các bước tiến hành với module AMP1 Chú ý điện áp DC cấp cho module 2 là 6V, dòng 500mA

Sơ đồ kết nối:

Hệ số S21

Tại tần số 760MHz, Hệ số truyền đạt công suất của phần tử khuếch đại:

Tần số làm việc: 270.8MHz đến 1.95GHz

Hệ số S12

Đồ thị Smith S11 và S22 theo thứ tự:

Cổng 1 phối hợp trở kháng chưa tốt do không có quá trình calibration Cổng 2 phối hợp trở

3 Kết luận

Module AMP có độ khuyếch đại khoảng 20dB ở tần số 2.5GHz

BÀI 3 – PHẦN 2 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ PHI TUYẾN MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN

1 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

Sinh viên đọc kỹ hướng dẫn sử dụng các thiết bị sẽ sử dụng cho bài thí nghiệm này bao gồm:

• Máy phân tích phổ FSP - SPECTRUM ANALYZER

• Máy phát tín hiệu SMJ100A – Vector signal generator

Sinh viên tìm hiểu kỹ về các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến của mạch khuếch đại siêu cao tần:

• Sự méo dạng tín hiệu khi qua mạch khuếch đại

• Đặc tuyến vào, ra của mạch khuếch đại

• Phương pháp đo thông số phi tuyến mạch khuếch đại sử dụng một tone và hai tone

• Các thông số thể hiện đặc tính phi tuyến của mạch khuếch đại siêu cao tần

Thiết bị sử dụng trong việc đo

FSP - SPECTRUM ANALYZER

SMJ100A – Vector signal generatorModule khuếch đại siêu cao tần (AMP)

Sơ đồ kết nối

• 1: Ngõ ra SMJ100A nối với port in module AMP

• 2: module AMP

• 3: port out module AMP

• 4: bộ suy giảm 20dB

• 5: nối với ngõ vào FSP - SPECTRUM ANALYZER

• 6: nối với nguồn DC

Câu hỏi chuẩn bị

Câu 1 Công dụng của các thiết bị: SMJ100A, FSP trong việc đo các thông số phi tuyến của mạch khuếch đại?

• SMJ100A: máy phát tín hiệu

• FSP: máy phân tích phổ tần

Câu 2 Các thông số cho phép cực đại tại các test port của FSP-Spectrum analizer là những thông số nào, giá trị bao nhiêu? Có ý nghĩa gì? Các biện pháp bảo đảm an toàn cho thiết bị đo?

•

•

• Chạm tay vào vỏ máy trước khi lắp cáp vào port

• Sử dụng bộ suy giảm 20dB để giảm công suất tín hiệu ở port in

Câu 3 Trong trường hợp đo hai tone, tín hiệu phát ra từ náy SMJ100A là tín hiệu gì?

Tín hiệu sine đã được điều chế

Câu 4 Khi đặc tuyến mạch khuếch đại không tuyến tính, các thành phần tần số nào

có thể xuất hiện ở tín hiệu ngõ ra, nếu tín hiệu vào có hai thành phần tần số

Thành phần Intermodulation Component (IM) cơ bản: f1 = 2.49GHz, f2 = 2.51GHz

độ (dB) của IM theo thành phần cơ bản cho biết bậc phi tuyến của bộ lọc

b Điểm gãy 1dB của đồ thị công suất đầu ra bộ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng tuyến tính Điểm gãy cho biết ngưỡng của công suất vào mà tại đó, công suất ra bắt đầu bão hòa

c Các giao điểm Output Intercept Power Point của công suất IM bậc cao so với IM cơ bản

2 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

2.1 Chuẩn bị trước khi thí nghiệm:

Sinh viên chuẩn bị module cần đo là module AMP, nguồn phát DC, đồng hồ VOM, bộ suy hao 20dB, cáp, bộ nối Làm sạch các đầu port nếu cần, vì có thể bụi bẩn sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo

Sinh viên chuẩn bị giấy, bút để ghi chép các kết quả đo

Module mạch AMP sẽ dùng để thực hiện thí nghiệm:

2.2 Tiến trình thí nghiệm đo một tone

Bước 1: Thiết lập các thông số ban đầu cho các thiết bị đo như sau:

Bước 2: Xác định độ suy hao của cáp:

Quan sát trên FSP, xác định giá trị của vạch phổ ở tần số 2.5GHz So sánh với công suất phát

Trả lời:

Cable 1 Công suất phát -20dBm Phổ công suất tại tần số 2.5GHz là -45dBm Suy ra

độ suy hao của cable là -25dBm

Cable 2 Cùng công suất phát, phổ công suất tại tần số 2.5GHz là -20.75dBm Suy ra

độ suy hao của cable là -0.57dBm

Bước 3: Tiến hành cấp nguồn DC cho module

• Bật nguồn DC

• Điều chỉnh mức điện áp +6V, dòng 500mA

• Nối nguồn DC đến các cọc cấp nguồn cho Module AMP (chú ý nối đúng cực tính)

Bước 4: Kiểm tra ảnh hưởng của nguồn DC lên các port in, out của module AMP:

Giá trị điện áp DC port in: 0VDC

Giá trị điện áp DC port out: 0VDC

Bước 5: Gắn bộ suy hao 20dB vào port out module AMP

Bước 6: Nối ngõ ra SMJ100A với port in module AMP Nối port out của bộ suy hao với ngõ vào FSP.

Bước 7: Thu thập số liệu

Điều chỉnh mức công suất phát từ SMJ100A tăng từ: -20dBm đến 2dBm, với mỗi bước cách nhau 1dBm Đọc giá trị công suất phổ trên FSP ứng với mỗi mức công suất phát từ FSP Ghi lại

dữ liệu vào cột P1 bảng sau

Điều chỉnh mức công suất phát từ SMJ100A giảm từ: 2dBm đến -20dBm, với mỗi bước cách nhau 1dBm Đọc giá trị công suất phổ trên FSP ứng với mỗi mức công suất phát từ FSP Ghi lại

dữ liệu vào cột P2 bảng sau

Giá trị các cột xấp xỉ nhau Có sự chênh lệch là do sai số trong quá trình đo

Tháo hai đầu cáp khỏi module AMP

2.3 Tiến trình thí nghiệm đo hai tone

Quan sát trên FSP, xác định tần số và giá trị của các vạch phổ

So sánh với công suất đặt của sóng mang trên SMJ100A?

Công suất đặt vào -20dBm Cable 1 có suy hao -25dBm Công suất nhận được là -24.5 dB Từ

đó suy ra độ lợi của AMP khoảng 20 dB

ngõ vào FSP.

Điều chỉnh mức công suất phát từ SMJ100A tăng từ: -20dBm đến 2dBm, với mỗi bước cách nhau 1dBm Đọc giá trị công suất phổ trên FSP ứng với mỗi mức công suất phát từ FSP và ứng với các tần số Ghi lại dữ liệu vào bảng sau

Chú ý: Để đọc trị số các điểm đỉnh trên máy FSP thực hiện như sau:

Nhấn nút MKR FCTN (maker function), chọn Peaklist Điều chỉnh mức công suất phát từ SMJ100A giảm từ: 2dBm đến -20dBm, với mỗi bước cách nhau 1dBm Đọc giá trị công suất phổ trên FSP ứng với mỗi mức công suất phát từ FSP và ứng với các tần số Ghi lại dữ liệu vào bảng sau:

• Tắt nguồn DC, tháo nguồn DC khỏi module AMP

• Tháo cáp ra khỏi các thiết bị SMJ100A và FSP

• Nhấn nút Power để tắt thiết bị SMJ100A và FSP

Vẽ đồ thị thể hiện công suất các thành phần bậc 1, bậc 3, bậc 5 theo Pin

Xác định tất cả các thông số (có thể) của bộ khuếch đại dựa vào các dữ liệu đo được, và rút ra các nhận xét về tính phi tuyến bộ khuếch đại

Trả lời

Các hài phụ xuất hiện khi bộ khuyếch đại hoạt động phi tuyến

Đồ thị IM1 (đường f1), IM3 (đường f2) và IM5 (đường f3)Các thông số bộ khuyếch đại:

- Dải động: 20dBm

- Điểm gãy 1dB:

- Khi bộ khuyếch đại nằm trong vùng phi tuyến thì các hài phụ xuất hiện

- IM5 lõm (tức là sự méo dạng do IM3 gây ra giảm) tại Tại đó, pha của các

hệ số IM3 và IM5 ngược nhau Ngoài vùng lõm, pha các hệ số IM3 và IM5 bằng nhau, bậc 5 phi tuyến sẽ mở rộng đáp ứng của IM3