Đề tài THIẾT kế bộ KHUẾCH đại tạp âm THẤP (LNA) CHO tần số FM

Thiết kế LNA vẫn luôn là một thử thách bởi chúng yêu cầu tạp âm thấp Low Noise, hệ số khuếch đại Gain cao cùng với đó tiêu hao năng lượng thấp và tuyến tính cao.. 9 Bảng 1.1: Các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA)

CHO TẦN SỐ FM

Nhóm thực hiện: Nhóm 11

Số điện thoại nhóm trưởng: 0989752341 Gmail nhóm trưởng: tuanplssc@gmail.com

Mã lớp: 116280 Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thu Quyên 20172779 ĐTVT.05 - K62

Nguyễn Quang Tuấn 20172890 ĐTVT.05 - K62

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA)

CHO TẦN SỐ FM

Nhóm thực hiện: Nhóm 11

Số điện thoại nhóm trưởng: 0989752341 Gmail nhóm trưởng: tuanplssc@gmail.com

Mã lớp: 116280 Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thu Quyên 20172779 ĐTVT.05 - K62

Nguyễn Quang Tuấn 20172890 ĐTVT.05 - K62

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang

Hà Nội, 6 – 2020

2

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, dưới sự phát triển của khoa học công nghệ, tần số vô tuyến (RF) và thị trường thiết bị không dây đã mở rộng điến mức không thể tưởng tượng được Các thiết

bị sử dụng tần số sóng vô tuyến như điện thoại di động đã và đang thâm nhập vào mọi khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta, từ mặt hàng xa xỉ đến đồ dùng thiết yếu Các công ty bán dẫn và hệ thống, nhỏ và lớn, tương tự và kỹ thuật số, đã thấy thống kê và đang phấn đấu để chiếm thị phần của riêng họ bằng cách giới thiệu các sản phẩm RF khác nhau Thiết kế RF độc đáo ở chỗ nó dựa trên nhiều ngành không liên quan đến mạch tích hợp (IC) Các kiến thức về RF đã phát triển được khoảng một thế kỷ, tạo cơ

sở tri thức dường như vô tận dành cho người mới để tiếp tục học tập và phát triển [1] Với mục đích phục vụ học tập môn học Điện tử tương tự II và dưới sự hướng dẫn

của TS Nguyễn Anh Quang, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế bộ khuếch

đại tạp âm thấp (LNA) sử dụng tần số FM” Đây là một đề tài ứng dụng các kiến thức

về RF và hoàn toàn có ý nghĩa trong thực tế

Dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đề tài sẽ còn nhiều hạn chế trong nhiều mặt, nhóm em rất mong được thầy và các bạn đóng góp ý kiến xây dựng để đề tài được hoàn thiện hơn

3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 8

1.1 Tổng quan 8

1.2 Mục tiêu và phạm vi 8

1.3 Các thuật ngữ viết tắt 8

1.4 Môi trường hoạt động 9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Cấu trúc truyền dẫn 10

2.2 Vai trò của bộ LNA 11

2.3 Các thông số của bộ LNA 12

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ 16

3.1 Các yêu cầu về thông số kỹ thuật 16

3.2 Quy trình thiết kế LNA 16

3.2.1 Quy trình thiết kế LNA 16

3.2.2 Đặc điểm transitor 16

3.3 Thiết kế LNA 17

3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor 17

3.3.2 Mạch LNA 20

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 22

4.1 Kết quả 22

4 4.2 Kết luận 22TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu trúc truyền dẫn Super-heterodyne 10

Hình 1.2: Điểm nén 1-dB 15

Hình 1.3: Điểm chặn thứ 3 15

Hình 3.1: Sơ đồ mạch kiểm tra độ ổn định của BFP720 17

Hình 3.2: Đồ thị S11 18

Hình 3.3: Đồ thị S12 18

Hình 3.4: Đồ thị S21 19

Hình 3.5: Đồ thị S22 19

Hình 3.6: Mạch mô phỏng LNA trên ADS 20

Hình 3.7: Đồ thị NF 20

Hình 3.8: Đồ thị Gain 21

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các thuật ngữ viết tắt 9

7

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài trình bày tập trung trình bày về lý thuyết mạch LNA và thiết kế mô phỏng mạch LNA cho tần số FM trên phần mềm ADS (Advance Design System) Đề tài chia làm bốn chương như sau:

Chương 1 Giới thiệu chung

Chương 2 Cơ sở lý thuyết Nội dung chương trình bày lý thuyết cơ bản của bộ LNA: cấu trúc truyền dẫn, vai trò, tham số S và các thông số của bộ LNA

Chương 3 Thiết kế Nội dung Chương 3 trình bày về cách thiết kế bộ LNA cho tần

số FM và được minh họa trên phần mềm ADS

Chương 4 Kết luận

RF cũng như thiết kế liên tục các thiết bị tương thích với các băng tần như mạng không dây LAN, Bluetooth, Wifi tất cả đều hoạt động ở dải tần số 2.4-2.5GHZ Thiết kế LNA vẫn luôn là một thử thách bởi chúng yêu cầu tạp âm thấp (Low Noise), hệ số khuếch đại (Gain) cao cùng với đó tiêu hao năng lượng thấp và tuyến tính cao Vì đó là các thông

số có vai trò quyết định trong độ nhạy nhận

1.2 Mục tiêu và phạm vi

Mục tiêu của nhóm đặt ra khi thiết kế bộ LNA cụ thể như sau:

• Độ tuyến tính của LNA cao

• Thiết kế và mô phỏng trên ADS (Advanced Design System)

• Tối ưu hóa LNA

• Tối ưu hóa độ tuyến tính

• Đánh giá nhiễu ảnh, hệ số khuếch đại, hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra

1.3 Các thuật ngữ viết tắt

Trong bài báo cáo, nhóm có sử dụng một số từ ngữ viết tắt Bảng 1.1 mô tả trình bày các thuật ngữ đó

9

Bảng 1.1: Các thuật ngữ viết tắt

Từ ngữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

LNA Low Noise Amplifier Mạch khuếch đại tạp âm thấp

IMS Industrial, Science , Medical Công nghiệp, khoa học , y học

1.4 Môi trường hoạt động

Báo cáo thực hiện trên mô phỏng LNA tại tần số của FM 100MHz được thiết kế sử dụng mạng phối hợp trở kháng đầu vào và đẩu ra Mô phỏng mạch được thực hiện sử dụng ADS (Advanced Design System) từ công nghệ KEYSIGHT, bắt đầu từ các thành phần lý tưởng và kết thúc mô phỏng trên các giá trị thật Để thiết kế LNA, transistor phù hợp cần được chọn Thêm vào đó, LNA dùng để đánh giá cho độ tuyến tính là thuộc tính phức tạp khi điều chế tín hiệu RF

Hình 1.1: Cấu trúc truyền dẫn Super-heterodyne [1]

Sơ đồ khối của máy thu Super-heterodyne được thể hiện trên hình 1.1 Sóng điện từ bức xạ tín hiệu RF được nhận bởi anten, tín hiệu sau đó đi qua bộ lọc thông dải (Bandpass Filter – BPF) để lọc tín hiệu không mong muốn trong quá trình truyền ra khỏi tín hiệu mong muốn (desired signal) Sau khi qua BPF, do tín hiệu RF nhận được thường rất nhỏ nên ta cần sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier – LNA) với chức năng khuếch đại tín hiệu đồng thời giảm tạp âm có thể thêm vào tín hiệu Đầu

ra của LNA cùng với tín hiệu LO (Local Oscillator) được cung cấp vào mạch trộn (Mixer) để chuyển đổi xuống tần số thấp hơn gọi là tần số trung gian (Intermediary frequency – IF) Tần số IF được chọn ở mức gần với tần số đầu vào tín hiệu RF sao cho tần số tín hiệu đầu ra IF sẽ tương đối thấp Bộ lọc IF sẽ lọc các tần số không mong muốn

ra khỏi IF IF tiếp tục được khuếch đại và giải điều chế để thu được đầu ra

11

Như vậy qua cấu trúc truyền dẫn phía trên ta đã phần nào biết được vị trí và vai trò của bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) trong các máy thu tín hiệu Các phần tìm hiểu tiếp theo sẽ làm rõ các vấn đề của bộ LNA

2.2 Vai trò của bộ LNA

Bộ LNA thường nằm ở tầng đầu tiên của máy thu, đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất tổng thể của máy thu

Trước tiên do tín hiệu nhận được trên anten của máy thu thường rất nhỏ nên ta mong muốn có thể khuếch đại tín hiệu để dễ dàng xử lý chúng Do đó ta cần một bộ khuếch đại để có thể thực hiện công việc trên, nhưng linh kiện trên bộ khuếch đại và các khối khác thường có tạp âm (Noise) – lại là nguyên nhân giới hạn hiệu suất của hệ thống RF Nếu không có tạp âm, một máy thu RF có thể phát hiện tín hiệu nhỏ bất kỳ, cho phép truyền thông qua khoảng cách lớn bất kỳ Một điều nữa là nếu tạp âm đi vào tín hiệu sẽ rất khó loại bỏ được tạp âm ra khỏi tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu

Để tính toán ảnh hưởng của tạp âm, người ta thường sử dụng hệ số tạp âm Noise Figure (NF) trong quá trình tính toán NF được xác định bởi công thức:

ra hệ số NF nhỏ và hệ số khuếch đại cao, giúp cải thiện hiệu suất của toàn mạch

12

2.3 Các thông số của bộ LNA

Việc thiết kế một bộ LNA dựa trên việc điều chỉnh các thông số sau đây:

Độ nhạy: Tại đầu thu, thông số quan trọng được quan tâm đó là độ nhạy máy thu,

được cho bởi công thức:

Sensitivity Si min(dB) = −174dBm + 10logB + F(dB) + (S0/S1)(dB) (2.3) Trong đó: B là băng thông của hệ thống, F là NF bên thu, S0/S1 là tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại bên thu

Với độ nhạy tốt và dải động, LNA sẽ cho hệ số tạp âm (Noise Figure) thấp và hệ số khuếch đại mong muốn cao nhất Bên cạnh đó, LNA còn quan tâm đến độ tuyến tính Tín hiệu mạnh tạo ra intermodulation products ở dải tần số gần với tần số hoạt động có ảnh hưởng tới trở kháng bên thu

Tham số S: Tham số S là các tham số tán xạ xác định mối quan hệ giữa đầu vào và

đầu ra của mạng điện trong sóng năng lượng tới và phản xạ

Công thức song năng năng lượng tới và phản xạ: Z0

• an: sóng năng lượng tới

• bn: sóng năng lượng phản xạ

• Z0: Trở kháng đầu vào

• n=1 hoặc 2

Có 4 thông số: a1, a2 , b1 và b2

Noise Figure (NF): Với một máy thu thông thường NF thường từ 6 đến 8 dB, trong

đó NF trên anten từ 0.5 đến 1.5 dB, trên LNA từ 2 đến 3 dB và các khối khác từ 2.5 đến 3.5 dB Yêu cầu tạp âm thấp của LNA giới hạn sự lựa chọn các mô hình mạch Thông thường chỉ có 1 transistor chi phối đến NF và mạch cần có khả năng khuếch đại nên ta loại mô hình emitter followers và source followers

Gain: Hệ số khuếch đại (gain) của LNA phải đủ lớn để giảm phân bố tạp âm trên

các khối tiếp theo của máy thu Việc lựa chọn gain của LNA cần phải chú ý đến một sự đánh đổi, gain càng lớn khiến NF của máy thu càng nhỏ nhưng cũng dẫn đến vấn đề phi tuyến khó giải quyết

Input return loss: Việc phối ghép giữa anten và LNA trở thành một vấn đề thú vị

phân chia các kỹ sư thiết kế tương tự và vi sóng Xem xét LNA như một mạch khuếch đại điện áp, ta mong muốn trở kháng vào đạt lý tưởng (vô hạn) Từ quan điểm của tạp

âm, ta mong muốn thu được NF nhỏ nhất Từ quan điểm công suất, ta mong muốn sự kết hợp giữa anten và LNA Từ việc kết hợp các sự lựa chọn phía trên và để tránh mất mát đầu vào, LNA được thiết kế với trở kháng đầu vào có điện trở 50 ohm Chất lượng của phối hợp đầu vào được thể hiện bởi input “return loss”, cho bởi công thức:

𝛾 = |𝑍𝑖𝑛 − 𝑅𝑆

𝑍𝑖𝑛 + 𝑅𝑆|

14

Với Zin là trở kháng vào

Stability: LNA có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài nên cần duy trì sự ổn

định (stability) ở tất cả các trở kháng nguồn và ở mọi tần số Tham số thường được dùng

để chỉ tính ổn định của mạch là “stern stability factor”:

K = 1+|∆|

2 −|𝑆11| 2 − |𝑆22|2

Với ∆ = 𝑆11𝑆22 - 𝑆12𝑆21, nếu ∆ < 1 tức là hệ thống ổn định vô điều kiện

Linearity: Trong nhiều ứng dụng, LNA không giới hạn độ tuyến tính (linearity) của

máy thu, ta thường thiết kế và tốt ưu LNA mà ít quan tâm đến đặc tính tuyến tính của chúng Nhưng đặc tính tuyến tính của LNA sẽ trở nên quan trọng trong máy thu băng thông rộng mà bị ảnh hưởng bởi lượng lớn nhiễu bên ngoài

Bandwidth: LNA phải cung cấp đáp ứng tương đối cho dải tần quan tâm, tốt nhất

là biến thiên khuếch đại dưới 1 dB

Power dissipation: Thiết kế LNA thường phải đánh đổi giữa tạp âm, đặc tính tuyến

tính và tiêu hao năng lượng Nhưng trong thực tế, LNA chỉ tiêu hao một phần nhỏ công suất nên vấn đề về tạp âm thường được đánh giá quan trọng hơn sự tiêu tán năng lượng

1-dB Compression Point: P1 dB cho thấy mức công suất đầu ra rơi tại điểm 1dB so

với giảm công suất đầu ra 1dB so với giá trị đầu ra lý tưởng Do đó, điểm P1 nén 1dB

là yếu tố quan trọng cho ta thấy điểm năng lượng đầu vào, tại đó tín hiệu bắt đầu méo

và phi tuyến Nguyên tắc của bộ khuếch đại tuyến tính đó là khuếch đại hoạt động ở miền dưới điểm nén [3]

15

Hình 1.2: Điểm nén 1-dB [3]

Third- Order Intercept Point: Điểm chặn thứ 3 cho thấy năng lượng của điểm điều

biến (intermodulaton) thứ 3 bằng với năng lượng đầu ra tại điểm thứ nhất Điểm chặn thứ ba ảnh hưởng lớn tới intermodulation vì nó gây phi tuyến và xuất hiện khi 2 tần số tín hiệu lớn f1, f2 ở gần với tần số hoạt động f0 IIP2, OP3 là năng lượng đầu vào và đầu ra, tương tứng với IP3

Hình 1.3: Điểm chặn thứ 3 [3]

16

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ

Trong Chương 3 đề cập cách thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số

FM theo trình tự tường bước Các thông số chính trong phần thiết kế LNA này là hệ số tạp âm (NF), hệ số khuếch đại (Gain) và phối hợp đầu vào (Input matching)

3.1 Các yêu cầu về thông số kỹ thuật

Các yêu cầu về thông số kỹ thuật được đưa ra như sau:

• Gain > 19 dB

• NF < 3 dB

• Bandwidth: 40 MHz với tần số trung tâm 100 MHz

3.2 Quy trình thiết kế LNA

3.2.1 Quy trình thiết kế LNA

Một quy trình thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp bao gồm các bước:

• Đánh giá độ ổn định để xác định sự phụ thuộc vào nguồn và phối hợp trở kháng

• Xác định điều kiện phân cực mạch

• Xác định hệ sô khuếch đại mong muốn tại tần số trung tâm

• Xác định NF tại tần số trung tâm Phối hợp nguồn là bắt buộc

3.2.2 Đặc điểm transitor

Để thiết kế LNA, việc chọn transistor là một bước quan trọng và thiết yếu Khi chọn transtistor cần quan tâm tới hệ số khuếch đại cao, nhiễu ảnh thấp Ở đây nhóm chọn BFP720 với các thông số phù hợp với việc thế kế mạch LNA ở tần số 100Mhz [4]:

• Sử dụng công nghệ SiGe

• Dải động cao

• Hoạt động ở điện áp: 1.0V-4.0V

• Tần số hoạt động: 0.01-12 (GHz)

17

• Hệ số khuếch đại cao và tiêu hao năng lượng thấp

• Hệ số khuếch đai ổn định cao nhất tại f=10Gz: 15dB

BFP720 được sử dụng nhiều trong FM radio, Mobile Tv, GPS (Global Positioning, System)…

3.3 Thiết kế LNA

3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor

Transistor chọn cần có độ ổn định K > 1, vì vậy chúng ta cần kiểm tra transistor có thỏa mãn yêu cầu hay không? Nếu yêu cầu không đạt, chúng ta cần thêm các điện trở

để transistor trở nên ổn định

Công thức tính ổn định K của transistor theo công thức (2.9)

Hình 3.1: Sơ đồ mạch kiểm tra độ ổn định của BFP720

18 Hình 3.2: Đồ thị S11

Hình 3.3: Đồ thị S12

20

3.3.2 Mạch LNA

Sau khi tính toán các thông số, nhóm đã thống nhất mạch thiết kế LNA như sau:

Hình 3.6: Mạch mô phỏng LNA trên ADS Kết quả mô phỏng:

Hình 3.7: Đồ thị NF

Từ Hình 3.7, ta có NF=0.0003 (dB)

21 Hình 3.8: Đồ thị Gain

Từ Hình 3.8 ta thu được Gain là: G=19.2 (dB)

Sau khi hoàn thành bài tập lớn môn "Điện tử tương tự 2" với đề tài "Thiết kế bộ

khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số FM", nhóm em đã vận dụng đươc bài học trên

lớp vào tính toán, thiết kế mạch Nhờ đó mà chúng em hiểu rõ hơn về quy trình thiết kế

và rút ra được kinh nghiệm hữu ích cho bản thân Bên cạnh đó bài tập lớn giúp chúng

em khả tự học, tìm kiếm tài liệu và khả năng làm việc nhóm

Mặc dù chúng em đã cố gắng rất hết sức nhưng do kiến thức còn hạn chế và chưa

đủ kinh nghiệm thực tiến nên mạch vẫn còn thiếu xót, chúng em mong thầy có thể bỏ qua và chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Anh Quang Thầy đã tạo ra những bài học bổ ích, lôi cuốn sinh viên và tạo cho chúng em niềm say mê học tập cũng như tìm hiểu kiến thức mới

Chúng em chân thành cảm ơn thầy!

23

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] M David, "Microwave and RF Wireless System", Chap 1 John Willey & Sons,

2001

[2] B Razavi, RF Microelectronics, 1988

[3] L Frenzel, What’s The Difference Between The Third-Order Intercept And The

1-dB, 2014

[4] N A Quang, Powperpoint Dien tu tuong tu 2

[5] Datasheet, INFINEON Technologies,BFP720, "Datasheet, INFINEON Technologies,BFP720," http://www.infineon.com/, 2013