THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
MẠCH TÍCH HỢP SIÊU CAO TẦN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI
10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU
Giáo viên hướng dẫn:
TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG
Học viên:
LÊ HỒNG ANH
NGUYỄN HỒ BÁ HẢI
Nhóm : 08
HỒ CHÍ MINH, 05/2014

Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
Nhóm 08: Lê Hồng Anh – Nguyễn Hồ Bá Hải 2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................ 3
THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ
SỐ NHIỄU..................................................................................................................................... 4
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ MỘT MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP...... 4
2. TIẾN TRÌNH THIẾT KẾ..................................................................................................... 6
2.1 CHỌN TRANSISTOR.................................................................................................... 6
2.2 ĐỘ ỔN ĐỊNH.................................................................................................................. 9
2.3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ....................................................................... 9
2.4 TÍNH TOÁN ĐỘ LỢI CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI .................................................. 10
2.5 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI........................................... 13
2.6 THIẾT KẾ PHÂN CỰC CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI .............................................. 18
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................................................................... 19
4. THỰC HIỆN LAYOUT CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI ..................................................... 21
5. KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 21
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 22

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy TS.
Huỳnh Phú Minh Cường về những bài học đầy tính thực tiễn về công nghệ mạch
tích hợp siêu cao tần, về những hiểu biết sâu rộng đối với chuyên ngành Điện Tử
Viễn Thông và về xu hướng phát triển của ngành học.
Trong thời gian hữu hạn việc thực hiện đề tài của nhóm không thể tránh những
thiếu sót trong tiểu luận. Kính mong Thầy và các bạn thông cảm và chỉ dạy thêm.
Thân chúc Thầy và các bạn lời chúc sức khỏe, niềm vui và hạnh phúc trong
công việc và cuộc sống!
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 06 năm 2014
Nhóm thực hiện 08
Lê Hồng Anh- Nguyễn Hồ Bá Hải

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ
LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ MỘT MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU
THẤP
Bên cạnh sự ổn định và độ lợi, một phần thiết kế quan trọng khác được xem xét cho một
bộ khuếch đại siêu cao tần đó là hệ số nhiễu (Noise Figure). Trong các ứng dụng của bộ thu
thường yêu cầu phai có bộ tiền khuếch đại với một hệ số nhiễu thấp nhất có thể, bởi vì tầng
đầu tiên của một bộ thu có ảnh hưởng lớn đến sự thi hành nhiễu của cả hệ thống. Thông
thường không thể đạt được cả hai sự cực tiểu hệ số nhiễu và cực đại độ lợi cho một bộ
khuếch đại, tuy nhiên một vài sự tương nhượng có thể được thực hiện. Điều này có thể được
thực bởi việc sử dụng vòng tròn đẳng độ lợi và vòng tròn đẳng hệ số nhiễu để lựa chọn một
sự đánh đổi khả dụng giữa hệ số nhiễu và độ lợi. Trong bài tiểu luận này chúng ta sẽ đưa ra
các công thức cho vòng tròn đẳng hệ số nhiễu và biểu diễn chúng được sử dụng như thế nào
trong thiết kế một bộ khuếch đại transistor. Hệ số nhiễu của một bộ khuếch đại hai cửa có
thể được biểu diễn như sau
2
min ,N
S opt
S
R
F F Y Y
G
   (1.1)
Trong đó,
YS = GS + jBS: là dẫn nạp nguồn được đưa đến transistor.
Yopt: dẫn nạp nguồn tối ưu để cực tiểu hệ số nhiễu.
Fmin: hệ số nhiễu cực tiểu của transistor, đạt được khi YS = Yopt.
RN: điện trở nhiễu tương đương của transistor.
GS: phần thực của dẫn nạp nguồn.
Thay vì sử dụng dẫn nạp YS và Yopt, chúng ta có thể sử dụng hệ số phản xạ ΓS và Γopt, trong
đó,

11
,
1
11
.
1
S
S
O S
opt
opt
O opt
Y
Z
Y
Z
 

 
 

 
(1.2)
ΓS là hệ số phản xạ nguồn. Fmin, Γopt, và RN được đặc trưng bởi transistor được sự dụng,
được gọi là các thông số nhiễu của thiết bị; chúng có thể được đưa ra bởi nhà sản xuất hoặc
đo đạc.
2
2
22 2
4
.
1 1
S opt
S opt
o S opt
Y Y
Z
  
 
   
(1.3)
Thêm vào đó,
 
2
2
11 11 1
Re .
2 1 1 1
SS S
S S
o S S o S
G Y
Z Z


     
    
      
(1.4)
Sử dụng công thức (1.1) đưa ra hệ số nhiễu như sau
 
2
min 22
4
.
1 1
S optN
o S opt
R
F F
Z
 
 
   
(1.5)
Đối với một hệ số nhiễu cố định F công thức (1.5) có thể biểu diễn thành một vòng tròn
trong mặt phẳng ΓS. Đầu tiên ta biểu diễn thông số hệ số nhiễu N như sau,
2
2
min
2
1 ,
4 /1
S opt
opt
N oS
F F
N
R Z
   
  
 
(1.6)
N là một hằng số cho một hệ số nhiễu được đưa ra và tập hợp các thông số nhiễu. Do đó có
thể viết lại như sau
    
 
 
2
2
2
1 ,
,
.
1 1
S opt S opt S
S S S opt S opt opt opt S
S opt S opt opt
S S
N
N N
N
N N
 
   
 

      
             
      
   
 

Thêm  
2 2
/ 1opt N  vào cả hai vế ta được
 2
1
.
1 1
opt
opt
S
N N
N N
  
  
 
(1.7)
Kết quả này định nghĩa các vòng tròn đẳng hệ số nhiễu với tâm là
,
1
opt
FC
N



(1.8)
Và bán kính là
 2
1
.
1
opt
F
N N
R
N
  


(1.9)
2. TIẾN TRÌNH THIẾT KẾ
2.1 CHỌN TRANSISTOR
Bước quan trọng đầu tiên trong quá trình thiết kế mạch khuếch đại là lựa chọn
Transistor phù hợp với các yêu cầu đặc trưng của mạch khuếch đại. Trong đề tài này, mục
đích của việc thiết kế là thực hiện mạch hoạt động tại tần số 0.9 GHz và có độ lợi tại ngõ ra
là 10dB. Trong trường hợp này Transistor NEC's NE85619 “Low Noise Bipolar Transistor”
được chọn cho mạch khuếch đại. Các thông số đặc trưng của Transistor là có khả năng hoạt
động đến tần số 5 GHz và Vce = 3V Ic = 5mA. Ta thực hiện tìm các thông số nhiễu của
Transistor tại tần số 0.9 GHz. Bởi vì, nhà sản xuất không cung cấp các thông số NFmin,
Γopt, và RN tại tần số 0.9 GHz trong cả datasheet và mô hình thông số S của transistor, nên
ta phải thực hiện mô phỏng trên ADS để tìm các thông số đó trên mô hình tín hiệu lớn.
Đầu tiên, ta phải phân cực cho transistor với Vce = 3V và Ic = 5mA. Ta thiết lập một
mạch phân cực như trong hình (2.1). Mô hình tín hiệu lớn của transistor NE85619 được lấy
từ thư viện “Low Noise Bipolar Transistor” của công ty thiết kế chip RENESAS. Thực
hiện một mô phỏng DC, để thấy được kết quả ta chọn “Simulate Menu > Annotate DC

solution”. Mô hình tín hiệu lớn đôi khi sẽ cho các thông số S không chính xác; do đó, ta
phải kiểm tra đối chiếu với mô hình thông số S của transistor.
Hình 2.1 Mạch phân cực của Transistor.
So sánh kết quả mô phỏng với mô hình thông số S của transistor như sau

Hình 2.2 Các thông số S của Transistor tại 0.9 GHz.

11 12 21 22S 0.515 171.76 , S 0.104 47 , S 3.202 76.1 , S 0.276 54.8             .
Từ kết quả ta thấy có sự sai lệch giữa mô hình tín hiệu lớn và mô hình thông số S. Tuy
nhiên, tại tần số 0.9 GHz sự sai lệch giữa các thông số không đáng kể.
2.2 ĐỘ ỔN ĐỊNH
Ta tiến hành xem xét các điều kiện để mạch ổn định không điều kiện sử dụng phương
pháp K test 
11 22 12 21
2 2 2 2 2 2
11 22
12 21
(0.515 171.76 )(0.276 54.8 ) (0.104 47 )(3.202 76.1 )
0.195
1 1 (0.515) (0.276) (0.195)
1.046
2 2(0.104)(3.202)
S S S S
S S
K
S S
  
          

      
  
Ta thấy 1  và K > 1 nên Transistor ổn định không điều kiện tại tần số 0.9 GHz.
2.3 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NHIỄU
Sử dụng ADS để tính toán các thông số nhiễu từ mô hình transistor tín hiệu lớn. Để
tính toán các thông số nhiễu tại tần số 0.9 GHz ta sử dụng tùy chọn “Single Point Sweep” và
thiết lập nhiệt độ ở 16.85o
C (tương ứng với nhiệt độ chuẩn cho nhiễu là 290K). Trong bộ
điều khiển “S Parameter” ta chọn “noise calculation”.

Hình 2.3 Mô hình tính toán thông số nhiễu của Transistor tại 0.9 GHz.
Sử dụng mô hình trên ta thu được kết quả như sau
Hình 2.4 Kết quả mô phỏng các thông số nhiễu của Transistor tại 0.9 GHz.
2.4 TÍNH TOÁN ĐỘ LỢI CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Độ lợi của tổng cộng của mạch khuếch đại là
10T S O LG G G G dB 

Trong đó,
2 2
21 3.202 10OG S dB  
Vậy 0S LG G dB 
Thực hiện tính toán vòng tròn đẳng độ lợi cho 0 1SG dB 
 
 
 
max 2
max11
O11
2
11
2
11
2
11
1
1.36 1.34 0.735
1
0.407 171.76
1 1
1 1
0.407
1 1
S
S S
S
S
S
S
S
S
S
G
G dB g
GS
g S
C
g S
g S
R
g S

     

  
 
 
 
 
Thực hiện tính toán vòng tròn đẳng độ lợi cho 0 1LG dB 
 
 
 
max 2
max22
O22
2
22
2
22
2
22
1
1.082 0.34 0.924
1
0.257 54.8
1 1
1 1
0.256
1 1
L
L L
L
L
L
L
L
L
L
G
G dB g
GS
g S
C
g S
g S
R
g S

     

  
 
 
 
 
Thực hiện vẽ các vòng tròn đẳng độ lợi 0SG dB , 0LG dB và tìm các giá trị ΓS, ΓL để cực
tiểu hệ số nhiễu của mạch khuếch đại.

Hình 2.5 Tìm ΓS và ΓL từ các vòng tròn đẳng độ lợi.
Từ các vòng tròn đẳng độ lợi 0SG dB , 0LG dB biểu diễn trên đồ thị Smith ta chọn các
giá trị ΓS, ΓL như sau
o o
0.29 101 0.2 122S L     
GL = 0 dB
GS = 0 dB
ΓL
ΓS
Γopt

Sử dụng các kết quả này cho ta hệ số nhiễu như sau
 
2
min 22
0
4
1.53 1.85
1 1
S optN
S opt
R
F F dB
Z
 
   
   
2.5 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Chúng ta thiết kế các mạch phối hợp đế đạt được công suất ngõ ra mong muốn và các
mức độ công suất bị phản xạ về ngõ vào.
Hình 2.3 Cấu trúc của một mạch khuếch đại hai cửa.
Mạch phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra được thiết kế để kết hợp điện trở 50  của
nguồn và tải với trở kháng ngõ vào và ngõ ra của tầng khuếch đại nhằm truyền tải công suất
tối đa đến tầng khuếch đại với hệ số nhiễu được giảm thiểu.
Thực hiện thiết kế mạch phối hợp trở kháng ở ngõ ra và ngõ vào mạch khuếch đại sử
dụng đồ thị Smith với các giá trị ΓS, ΓL được chọn. Kết quả tính toán trên đồ thị Smith như
sau
Input
Matching
Network
Transistor Output
Matching
Network
[S]
OUT 
L
S IN
(ZS) (Zin) (Zout) (ZL
50 
50 

Hình 2.6 Thực hiện phối hợp trở kháng cho ngõ vào mạch khuếch đại.
0.360Ʌ
0.086Ʌ
ΓS
yS
jbS
0.148Ʌ

Hình 2.7 Thực hiện phối hợp trở kháng cho ngõ ra mạch khuếch đại.
0.141Ʌ
ΓL
yL
jbL
0.331Ʌ
0.062Ʌ

Từ kết quả phối hợp trở kháng ta có được mạch như sau
Hình 2.8 Mạch khuếch đại thực hiện phối hợp trở kháng.
Thiết kế đoạn truyền sóng Z0 = 50 Ω dùng Microstrip Line, Substrate FR4 ԑr = 4,6. Giả
sử độ dày của đoạn truyền sóng là h1, và độ rộng là W1. Ta thực hiện tìm tỉ số W1/h1, dự
đoán W1/h1 < 2
1
2
1
8
2
A
A
W e
h e


Trong đó,
1 1 1 0.11
0.23 1.5577
60 2 1
C r r
r r
R
A
 
 
  
    
  
Vậy
1
2
1
8
1.849 2
2
A
A
W e
h e
  

Ta chọn h1 = 1 mm và W1 = 1.849 mm.
Kiểm tra lại tính toán với phần mềm APPCAD ta được kết quả như sau
0.086Ʌ
0.212Ʌ
0.190Ʌ
0.062Ʌ

Hình 2.9 Thiết kế đường truyền sóng 50Ω trên APPCAD.
Từ kết quả tính toán trên APPCAD ta có các thông số của đường truyền sóng như sau
H = 1mm, W = 1.835mm, T = 0.01mm, Z0 = 50.01Ω, Ʌ = 179.386mm.
Từ kết quả trên ta có được mạch phối hợp trở kháng như sau
Hình 2.10 Mạch khuếch đại thực hiện phối hợp trở kháng.
15.43mm
38.03mm
34.08mm
11.12mm

2.6 THIẾT KẾ PHÂN CỰC CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Thiết kế của một mạch phân cực DC để cách ly tín hiệu RF với DC trong băng thông
mong muốn được đưa ra. Nó bao gồm một cuộn dây và một tụ điện mắc vào mạch dạng
hình T (DC feeding và blocking).
Nguồn: MICROWAVE TRANSISTOR AMPLIFIER Analysis and Design – Guillermo
Gonzalez.
Đối với mạch khuếch đại cao tần, chúng ta sử dụng đoạn Microstrip Line dài λ/4 thay
cho cuộn L. Với λ/4 44.847 mm ta có mạch phân cực như sau
Hình 2.11 Mô hình mạch khuếch đại công suất với phân cực DC trên ADS.

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Sau khi thực hiện phân cực cho mạch khuếch đại ta thực hiện lại các mô phỏng để
kiểm tra các thông số của mạch.
Hình 3.1 Mô hình mô phỏng mạch khuếch đại trên ADS.
Ta thực hiện mô phỏng các thông số của mạch bằng cách gắn một nguồn AC ở tần số
0.9 GHz với công suất thay đổi từ -20dBm đến 10dBm. Thực hiện đô công suất ở ngõ ra và
tính toán độ lợi của mạch tương ứng với mỗi công suất ngõ vào. Ngoài ra, ta cũng tiến hành
xác định ma trận thông số S và các thông số nhiễu của mạch. Kết quả mô phỏng thu được
như sau

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại trên ADS.

Từ kết quả mô phỏng ta thấy độ lợi của mạch đạt gần đúng 10dB và hệ số nhiễu của
mạch là NF = 1.704 = 2.31dB có sự sai lệch không đáng kể so với giá trị tính toán
(NF=1.85dB).
4. THỰC HIỆN LAYOUT CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI
Hình 4.1 Kết quả thực hiện mạch layout trên ADS.
5. KẾT LUẬN
 Bài tiểu luận đã thực hiện thiết kế mạch khuếch đại với độ lợi 10dB hoạt động tại tần
số 0.9GHz.
 Hệ số nhiễu của mạch đã được cực tiểu, tuy nhiên vẫn còn sai số đáng kể giữa kết
quả thiết kế và mô phỏng.
 Phần thực hiện layout cho mạch vẫn chưa hoàn chỉnh vì thiếu các thư viện phần
mềm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Huỳnh Phú Minh Cường, “MICROWAVE INTERGRATED CIRCUITS”, Chapter
4, Microwave Amplifier, Ho Chi Minh city University of Technology, 2014.
[2] Ahmed Sedek Mahmoud Sayed, “ULTRA WIDEBAND 5W HYBRID POWER
AMPLIFIER DESIGN USING SILICON CARBIDE FESFETS”, Master of
Engineering, Elektrotechnik und Informatik der Technischen Universität Berlin,
2005.
[3] Guillermo Gonzalez, “MICROWAVE TRANSISTOR AMPLIFIER Analysis and
Design”, Second Edition, Prentice Hall.
[4] Marian K.Kazimierczuk, “RF POWER AMPLIFIERS”, First Edition, A John Wiley
and Sons, Ltd., Publication, 2008.
[5] “RF Devices / RF Transistor – ADS Design Kit”,
http://sg.renesas.com/products/microwave, Renesas Electronics Corporation, 2010-
2014.
[6] Prof. Steve Long, “Harmonic Balance Simulation on ADS”, University of California
Santa Barbara, 2011.
[7] Prof. Steve Long, “Using ADS to simulate Noise Figure”, University of California
Santa Barbara, 2011.

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (19)

Similar to THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU

Similar to THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU (20)

More from Hải Nguyễn Hồ Bá

More from Hải Nguyễn Hồ Bá (6)

Recently uploaded

Recently uploaded (19)

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH TẠI TẦN SỐ 0.9 GHz VỚI ĐỘ LỢI 10dB VÀ CỰC TIỂU HỆ SỐ NHIỄU