TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Tiến Thường (2000), Giáo trình mạch điện tử 2, NXB Đại Học Quốc Gia TPHCM. 2. Giáo trình điện tử cơ bản 12, NXB Đai Học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM. 3. Ths Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học Bách Khoa TP.HCM. 4. Giáo trình kĩ thuật số, NXB Đai Học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM. 5. Ths Phạm Quốc Phương (2016), Kỹ thuật vi xử lý, Học viện Hàng không Việt Nam.
Trang 1Mục Lục
Phần 1: Cơ sở lý thuyết 2
1 Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn nhất 2
2 Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại nhất định 7
3 Bộ chia công suất Wilkinson 9
Phần 2 : Tính toán thiết kế mạch theo yêu cầu bài toán 12
1 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại 12
2 Tính toán thiết kế mạch chia công suất 15
Phần 3: Sơ đồ và các kết quả mô phỏng 17
1 Sơ đồ và kết quả mô phỏng mạch khuếch đại 17
2 Kết quả mô phỏng mạch chia 4 công suất 18
Tài liệu tham khảo 20
Phụ lục: Bảng tham số [S] của NE960R275 21
Trang 2
Phần 1:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong hệ thống các mạch điện cơ bản thì khuếch đại công suất là một trong
c mạch rất phổ biến, và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế Khuếch đại côngsuất là một phần không thể thiếu được trong các hệ thống thiết bị phát thanh,truyền tin tức, tín hiệu…Mạch khuếch đại công suất có rất nhiều loại, hoạt động ởnhiều tần số khác nhau, từ tần số thấp (cỡ vài Hz) đến siêu cao tần (cỡ vài GHz,vài chục GHz, thậm chí vài trăm GHz) Về nguyên lý, chức năng các mạch điệntrong hệ thống siêu cao tần cũng tương tự như các mạch điện ở tần số thấp Tuyvậy, về cấu trúc, nguyên lý và cách hoạt động cụ thể của từng loại mạch siêu caotần cũng có nhiều điểm khác so với các mạch ở tần số thấp Ở mạch điện tần sốthấp các đường truyền được xem là ngắn mạch, suy hao không đáng kể, không cầnquan tâm đến sóng phản xạ, không cần phải phối hợp trở kháng đầu vào, đầu ra.Tuy nhiên ở các mạch điện siêu cao tần thì các yếu tố đó cần được xem xét và tínhtoán một cách cụ thể,rõ ràng Trong khuôn khổ bài tập lớn (BTL) này, em xin đềxuất mô hình thiết kế một bộ khuếch đại (bộ kích) siêu cao tần hoạt động ở tần số4,5 GHz, với công suất đầu vào là Pin = 1W, công suất đầu ra Pout = 8 W, chia cho 4khối công suất Như vậy, hệ số khuyếch đại tổng cổng là:
G = 10 log (Pout/Pin)
= 10 log (8/1) ≈ 9(dB)
1 Tính toán bộ khếch đại với hệ số khuếch đại lớn nhất.
Xét mạng khuếch đại sử dụng transistor như hình dưới, với các tham số tán xạ
[S] cho trước ở tần số công tác, điện trở nguồn là ZS, điện trở tải ZL Trước hết tacần xem xét sự ổn định của mạch để xác định xem mạch cung cấp sự khuếch đại
ổn định hay có thể dao động
Trang 3Ta biết hệ số phản xạ về phía tải:
0 0
L L
22
1
in o L
in
L in o
S S S
111
S out
S
S S S
Trang 4in in
| |
(1 | | ) 2
Trang 52 2 21
Độ khuếch đại công suất nhận (Độ khuếch đại công suất sau khi cả đầu vào và đầu
ra được phối hợp trở kháng với nguồn và tải) là :
Trang 6Để đơn giản trong tính toán người ta đưa ra 1 đại lượng là độ khuếch đại công suấtxuyên (Độ khuếch đại công suất khi đầu vào được phối hợp trở kháng với nguồn).
Từ (12) và (14) Ta có độ khuếch đại công suất xuyên là :
S P
Trường hợp đặc biệt nếu các cửa đầu vào và ra đều phối hợp trở kháng Khi đó hệ
số khuếch đại công suất xuyên:
GT = |S21|2
(20)
Bộ khuếch đại một tầng công suất transistor có thể được mô hình hóa như sau:
Hình 1 Mô hình mạch khếch đại transistor
Mạch phối hợp đầu vào và ra biến đổi trở kháng vào và ra thành trở khángnguồn ZL và ZS Có thể sử dụng độ khuếch đại công suất xuyên khi không phốihợp giữa tải và nguồn Ta định nghĩa độ khuếch đại tại đầu vào (nguồn) của mạchphối hợp Độ khuếch đại của bản thân transistor và độ khuếch đại đầu ra (tải ) củamạch phối hợp:
Trang 7
GT = |S21|2
Hệ số khuếch đai toàn bộ: GTmax = Go + GL + Gs
2 Tính toán bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại nhất định.
Để có được hệ số khuếch đại như mong muốn thì ta cần tính toán để có thể giảm Gs và GL Phương pháp thiết kế là đánh dấu các đường tròn có độ khuếch đại cố định cho giá trị Gs và GL đã chọn cố định
Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua |S12| vì rất nhỏ để cho tính toán được đơn giản Ta có
Các bộ khuếch đại trên đạt cực đại khi:
Ta định nghĩa hệ số khuếch đại chuẩn hóa:
Trang 8(23)
(24)Với việc xác định hai đường tròn này cho ta hệ số khuếch đại nhất định tại đầu vào
và đầu ra Ta chọn được các hệ số ΓS và ΓL như mong muốn
Việc lựa chọn ΓS và ΓL không phải là duy nhất , ta thường chọn điểm thích hợpnằm gần tâm đồ thị Smith để tối thiều hóa việc không phối hợp và đạt được dảithông lớn nhất
Trang 93 Bộ chia công suất Wilkinson:
Trong các mạch siêu cao tần cơ bản thì mạch chia công suất cũng là mộtmạch rất phổ biến, được ứng dụng nhiều trong thực tế Có nhiều loại mạch chiacông suất khác nhau và thông thường mạch chia công suất thường đi kèm với chứcnăng là mạch cộng công suất Chúng ta có thể kể đến 1 số loại hay gặp trong thựctiễn như :
- Bộ chia và cộng công suất bằng mạch cầu ghép định hướng 3dB
- Các bộ chia và cộng công suât kiểu mạng Gysel
- Các bộ chia và cộng công suất Wilkinson
Trong bài tập lớn này, nhóm chúng em đề xuất sử dụng bộ chia công suấtWilkinson, là bộ chia có tổn hao, nhưng được phối hợp trở kháng tại tất cả các cửa
và đảm bảo phân cách giữa các cửa ra
Bộ chia công suất Wilkinson có thể có hệ số chia công suất là 2 (chia 3dB)hoặc có thể bất kì
Dưới đây là mô hình mạch chia - ghép công suất Wilkinson dạng đường vidải và mạch điện tương đương:
Hình 2 Mạch ghép - chia công suất Wilkinson a) dạng đường vi dải
b) mạch điện tương đương
Trang 10Chiều dài của mỗi nhánh được thiết kế là λ/4, do đó mạch chỉ hoạt động ứngvới một tần số tín hiệu nhất định
Với mạch trên ta có thể dùng làm bộ ghép công suất khi đưa tín hiệu vào cửa
1 và cửa 2; tín hiệu ra lấy trên cửa 3 Khi đó ta có sơ đồ mạch tương đương :
Hình 3 Bộ cộng công suất Wilkinson Tại cửa 3 điện trở R0 là tải ra của bộ cộng 2 đường có thể vẽ lại thành 2 điệntrở mắc song song với nhau 2R0 Còn điện trở hấp thụ và cách ly R có thể táchthành 2 điện trở mắc nối tiếp với nhau R/2
Nếu đưa tín hiệu cao tần vào cửa 3, tín hiệu ra lấy trên cửa 1 và cửa 2 thì ta có
bộ chia 2 công suất Lúc này trên điện trở hấp thụ R = 2R0 không có dòng điện nàochạy qua Do đó điểm giữa của điện trở 2R0 coi như bị hở mạch, và ta có thể vẽ lạimạch điện tương đương của bộ chia 2 đường như hình 4:
Trang 11Hình 4 Bộ chia công suất Wilkinson Cuối cùng, ta có giá trị tham số S của bộ chia Wilkinson như sau:
Trang 121 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại:
Yêu cầu: Pin = 1W, Pout = 8W, tần số f = 4.5GHz
=> hệ số khuếch đại tổng cộng G = 10 log(8/1) ≈ 9(dB)
Lựa chọn linh kiện: Với yêu cầu về độ khuếch đại như trên, nhóm chúng em đã
tìm hiểu và quyết định sử dụng transistor trường GaAs MES FET NE960R275 của
NEC Corporation làm bộ khuếch đại chính, với các tham số của ma trận tán xạ ở4,5 GHz (tại VDS = 9V, IDset = 80mA) là:
Trang 13Sử dụng công thức (21), (22), (23), (24) ta tính các số liệu của đường tròn có
độ khuếch đại cố định trên đồ thị Smith:
Phối hợp đầu vào phía nguồn
Sử dụng phương pháp dây chêm song song hở mạch, ta có:
Trang 14chêm song song hở mạch là 0,158ƛ Để triệt tiêu phần điện kháng – j0,7cần mắc thêm dây chêm hở mạch song song có giá trị j0,7 Chiều dài dâychêm là 0,152ƛ
Phối hợp đầu ra về phía tải
Γout = ΓL* = 0.008∟101,9920
Tương tự, ta tính được
Gs = 2,4 dB gs = 0,496 Cs = 0,655 / 139º Rs = 0,32
GL = 0 dB gs = 0,826 CL = 0.358 / 102º RL = 0.35 Trên các đường tròn này, ta chọn Γs và ΓL để giảm khoảng cách tới tâm đồ thị ( các vị trí Γs và ΓL này nằm trên bán kính tại 139º và 102º) Vậy Γs = 0,355 / 139º
và ΓL = 0,008 / 102º và mạch ghép được thiết kế với dây chêm song song, như hình 5
Ngoài ra, để có VDS = 9V, ID = 80mA, ta tính toán được chế độ một chiều để cấp thiên áp cho transistor với các giá trị điện trở như sau:
Trang 152 Tính toán thiết kế mạch chia 4 Wilkinson:
Ta có mô hình mạch chia 2 công suất Wilkinson tương đương như sau:
Trong trường hợp tổng quát, với bộ chia N ta có:
L = N1/2 x Z0 / ω
Trang 16Điện trở tải phối hợp: R1 = R2 = R3 = R4 = R0 = 50 Ohm.
Do đó ta có thể thiết kế được mạch chia 4 Wilkinson như sau:
Ta thấy các cửa hoàn toàn đối xứng => mạch được phối hợp trở kháng và đảm bảo
độ cách ly giữa các cửa
Trang 171 Sơ đồ và kết quả mô phỏng mạch khuếch đại:
Nhóm chúng em đã sử dụng sơ đồ sau để mô phỏng mạch khuếch đại đã thiết
kế
Trong sơ đồ này, phần tử S2P là một mạng 2 cửa thông số [S] Các thông số [S]này được nhập vào tương ứng với thông số [S] của transistor NE960R275 mà
Trang 18nhóm đã lựa chọn Các cuộn cảm L1 và L2 tương đương với đoạn dây 0,152λ và0.13λ như trong thiết kế.
Kết quả mô phỏng như sau:
Ta thấy, độ khuếch đại tổng cộng tại tần số 4,5 GHz đạt được cỡ 9,1dB
=> thoả mãn yêu cầu bài toán đặt ra
2 Kết quả mô phỏng mạch chia 4 công suất Wilkinson:
Với mạch chia công suất Wilkinson đã thiết kế ở trên, kết quả mô phỏng đạtđược như sau:
Trang 19Ta thấy độ tổn hao ngược (S11), độ tổn hao xen giữa (S21 ) và độ cách ly (S23,
S34, S45 ) tại tần số 4,5GHz đã đạt được yêu cầu bài toán đặt ra
Trang 20Tài liệu tham khảo:
[1] Phạm Minh Việt, Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2002 [2] Vũ Đình Thành, Mạch Siêu Cao Tần, NXB khoa học và kỹ thuật, 1999
[3] Liang-Hung Lu and Chung-Ru Wu, A Miniaturized Wilkinson power divider with CMOS active inductors.
[4] NEC Corporation, Preliminary data sheet NE960R2 series, Printed in Japan, 1999
Trang 21Phụ lục:
Bảng tham số [S] của NE960R275