Các bộ trộn và bộ nhân sử dụng đi ốt đường hầm cộng hưởng RTD

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐÀO THỊ MINH NGỌC CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI-ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội -Năm 2011 2 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San Phản biện 1: …………………………………………………… …………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 18 3 CÁC BỘ TRỘN VÀ BỘ NHÂN SỬ DỤNG ĐI-ỐT ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG RTD Các hệ thống truyền thông đang ngày càng phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày một tăng của người dùng cả về dung lượng và chất lượng. Để có được một hệ thống thích ứng với các ứng dụng cao, các mạch điện tử cũng không ngừng được cải tiến, trong đó phải kể đến bộ trộn và bộ nhân tần số. Không những tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn và bộ nhân phải chính xác mà hiệu suất làm việc của các bộ này cũng phải tăng, khi đó cả hệ thống truyền thông mới đảm bảo được yêu cầu. Một giải pháp được đưa ra cho các bộ trộn và bộ nhân đó là sử dụng Đi-ốt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode-RTD) thay cho các đi-ốt thông thường. Nhờ có các đặc tính dẫn điện đặc biệt của RTD mà các bộ trộn và bộ nhân vừa đảm bảo được độ tin cậy, vừa giảm tính phức tạp của mạch và ít hiêu hao năng lượng. Mặt khác, Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD chưa từng được nghiên cứu trong chương trình đào tạo bậc Đại học. Các bộ trộn và bộ nhân sử dụng RTD cũng chưa được tìm hiểu nhiều ở Việt Nam. Vì vậy, luận văn xin trình bày về Các bộ trộn và bộ nhân sử dụng đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD. I. GIỚI THIỆU CHUNG Luận văn được chia thành bốn chương với các nội dung như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về các bộ trộn và bộ nhân truyền thống. Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của bộ trộn và bộ nhân sẽ được trình bày trong chương này. Ngoài ra, chương 1 còn 4 đưa ra các yêu cầu hiện nay của các thiết bị điện tử đối với các bộ trộn và bộ nhân cũng như các giải pháp khả quan cho các yêu cầu này. Trong ba giải pháp đưa ra là đi-ốt điện kháng biến thiên, đi-ốt Schottky và đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD thì RTD là giải pháp thích hợp nhất cho các bộ trộn và bộ nhân ở tần số vi ba. Chương 2 trình bày về đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD. Chương này đi sâu nghiên cứu về hiện tượng vật lý trong RTD, cấu trúc vật lý của một RTD điển hình. Bên cạnh đó, chương sẽ đưa ra mạch tương đương của một RTD, các đặc tính (hay các đồ thị đặc trưng) của RTD và mô hình toán học và các tham số ảnh hưởng đến đặc tính của một RTD. Trên cơ sở nghiên cứu về RTD ở chương 2, chương 3 sẽ trình bày về các bộ trộn và bộ nhân sử dụng RTD. Cụ thể, chương sẽ đưa ra sơ đồ của bộ trộn và bộ nhân RTD; tính toán hiệu suất công suất, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ trộn và bộ nhân RTD; cách lựa chọn các phần tử lọc cho các bộ trộn và bộ nhân RTD. Trên cơ sở đó, chương sẽ đưa ra một số kết quả mô phỏng hiệu suất công suất của bộ trộn và bộ nhân RTD và so sánh kết quả mô phỏng này với lý thuyết. Những đánh giá về giải pháp sử dụng RTD vào các bộ trộn và bộ nhân sẽ được trình bày trong chương 4 của luận văn. Ngoài ra, chương này còn tổng kết các vấn đề đạt được cũng như hướng phát triển của luận văn trong tương lai. 17  4. Taeho KIM, Bangkeun LEE, Sunkyu CHOI and Kyounghoon YANG, 2005, Resonant Tunneling Diode/HBT D-Flip Flop ICs Using Current Mode Logic-Type Monostable-Bistable Transition Logic Element with Complementary Outputs, The Japan Society of Applied Physics  5. Tetsuya Uemura and Pinaki Mazumder, 1999, Design and Analysis of Resonant Tunneling Diode Based High Performance Momory System, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E82-C-No.9, September 1999.  6. Wenlei Lian, 1994, Resonant Tunneling Diode Mixer and Muliplier, Simon Fraser University, Luận Văn Thạc Sỹ Nước Ngoài. 16 NDR, hiệu suất của mạch nhân khi tăng và giảm thiên áp là khác nhau khá nhiều. Hiện tượng này được gọi là trễ. Thứ ba, mạch RTD tồn tại nhiễu nền. Khi RTD hoạt động ở các mức tín hiệu thấp, để có được hiệu suất cao thì nhiễu nền của mạch RTD trở thành một nhân tố quan trọng không thể bỏ qua. Hiện nay, đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD đang được nghiên cứu một cách rộng rãi. Các mạch sử dụng RTD cũng ngày càng phát triển. Một số hướng phát triển trong tương lai về mạch RTD như:  Nghiên cứu hệ thống nhớ tốc độ cao sử dụng RTD  Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất làm việc của RTD  Ảnh hưởng của nhiễu nền đến hiệu suất của mạch sử dụng RTD  … IV. Tài liệu tham khảo  1. Dibakar Roy Chowdhury, 2008, Experimental study and modelling of AC characteristics of Resonant Tunneling Diodes, Luận Án Tiến Sỹ Nước Ngoài.  2. E.F.Schubert, 2003, Resonant Tunneling Diode RTD Structure, Rensselaer Polytechnic Institute  3. S.M.Sze, Physic of Semiconductor Device, Bell Laboratories Incorporated, Murray Hill, New Jersey. 5 II. NỘI DUNG 1. Tổng quátvề các bộ trộn và bộ nhân Bộ trộn tần là một mạch điện tử phi tuyến có nhiệm vụ tạo ra một tần số mới từ hai tần số đầu vào như biểu diễn trong hình 1.1 dưới đây. Tần số mới này có thể bằng tổng hoặc hiệu của hai tần số đầu vào. Thông thường, một trong hai tín hiệu đầu vào là tín hiệu một vạch phổ gọi là tín hiệu ngoại sai, ký hiệu là f ns . Tín hiệu còn lại là tín hiệu hữu ích có tần số cố định hoặc biến thiên trong phạm vi nào đó, ký hiệu là f th . Tại đầu ra bộ trộn tần thường có nhiều thành phần tín hiệu khác nhau, nhưng chỉ lấy ra thành phần mong muốn, ký hiệu là f tg . Hình 1.1: Sơ đồ Tổng Quát Bộ Trộn Tần Yêu cầu:: Tần số trung tần f tg không đổi khi tần số tín hiệu vào thay đổi bằng cách thay đổi tần số tín hiệu ngoại sai f ns . Bộ nhân tần số là một mạch điện tử trong đó tần số đầu ra của nó là một hài của tần số đầu vào. Bộ nhân gồm một mạch phi tuyến có tác dụng làm méo tín hiệu đầu vào và vì vậy nó tạo ra các hài của tín hiệu đầu vào. Theo sau mạch phi tuyến này là một bộ lọc băng thông có nhiệm vụ chọn ra tần số hài mong muốn và loại bỏ các hài cơ bản và các hài không 6 mong muốn tại đầu ra. Một bộ nhân cơ bản được mô tả như hình 1.2 dưới đây. Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát một bộ nhân tần số 2. Đi-ốt đường hầm cộng hưởng RTD a. Bản chất của đi-ốt đường hầm TD Đi-ốt đường hầm (Tunnel Diode) gồm một lớp tiếp giáp đơn p-n trong đó cả hai bán dẫn p và n đều bị pha tạp nặng. Một bán dẫn thông thường, lượng pha tạp chỉ có khoảng một phần triệu (10 -6 ), nghĩa là trong một mol chất bán dẫn thuần có khoảng 10 16 ÷ 10 17 nguyên tử tạp chất.Khi bán dẫn được pha tạp nặng, tỷ lệ tạp chất có thể lên tới phần nghìn(10 -3 ). Hình 2.2 chỉ ra giản đồ năng lượng của một đi-ốt đường hầm ở trạng thái cân bằng nhiệt. Hình 2.2: Giản đồ năng lượng của một đi-ốt đường hầm ở trạng thái cân bằng nhiệt 15 Đồ thị trên chỉ ra hai điểm mà tại đó hiệu suất công suất đạt giá trị đỉnh là điện áp đỉnh V p và điện áp rãnh V v , trong đó tại điểm có điện áp V p , hiệu suất công suất đạt giá trị cao hơn nhiều. Tuy nhiên, phần đồ thị âm và đồ thị dương không đối xứng nhau do tính phi đối xứng của đồ thị I-V trong quá trình mô phỏng. III. Kết luận So với đi-ốt hàng rào Schottky và đi-ốt điện kháng biến thiên, RTD có tính phi tuyến mạnh hơn. Điều này cho phép thiết bị sử dụng RTD có hiệu suất tạo hài hiệu quả hơn khi các tín hiệu đầu vào là rất nhỏ. Đối với các bộ nhân thông thường, hiệu suất tạo hài cực đại của nó bằng 1/n 2 (n là số hài). Tuy nhiên, với bộ nhân sử dụng RTD thì hiệu suất tạo hài sẽ cao hơn đáng kể, đó là vì sự xuất hiện của miền điện trở âm trong RTD. Do đó, khi tín hiệu vào có công suất cực thấp thì nó sẽ được đưa đến đầu vào bộ nhân RTD, và khi công suất cổng IF và LO rất thấp thì nó được đưa tới bộ trộn RTD. Điều này có nghĩa là các bộ khuếch đại công suất cao, đắt tiền sẽ không cần thiết nữa để có thể thực hiện việc khuếch đại tín hiệu vào tới các mức mong muốn. Tuy nhiên, khi sử dụng RTD vào các bộ trộn và bộ nhân cũng gặp những vấn đề khó khăn sau: Thứ nhất, bộ trộn và bộ nhân RTD rất nhạy cảm với thiên áp DC. Các kết quả đo đã cho thấy chỉ khác nhau 0,002V thiên áp DC nhưng cũng đã khiến hiệu suất công suất khác nhau đáng kể. Thứ hai, các mạch RTD không ổn định về điện thế. Trong một số trường hợp, khi thiên áp DC nằm gần hoặc rơi vào miền điện trở vi sai âm NDR thì mạch RTD sẽ dao động. Hơn nữa, trong miền 14 b. Bộ nhân sử dụng RTD Hình 3.20 chỉ ra cấu hình của một bộ nhân. V b là thiên áp một chiều, R IF và R RF là tương ứng là trở kháng nguồn và trở kháng tải. V g là điện áp nguồn. Hai bộ lọc băng thông BPF_IF và BPF_RF là các mạng chọn lọc tần số, trong đó trở kháng của chúng bằng không tại các tần số tương ứng là f IF và f RF , bằng vô cùng tại tất cả các tần số khác. Điện áp xoay chiều cấp cho RTD là V a . Hình 3.20: Cấu hình bộ nhân RTD với các cổng IF và RF Hiệu suất của bộ nhân được xác định theo công thức: (3.35) Hình 3.36 dưới đây là kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ nhân RTD theo thiên áp DC. Hình 3.36: Kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ nhân RTD theo thiên áp DC. 7 Do các bán dẫn có độ pha tạp cao nên mức Fermi nằm trong dải cho phép của chúng. Mức năng lượng bị dịch chuyển V p và V n thường cỡ khoảng vài kT, và độ rộng vùng nghèo có kích thước cỡ 100 A 0 hoặc nhỏ hơn, kích thước này nhỏ hơn so với tiếp giáp p-n thông thường. Đặc tính dòng điện – điện áp tĩnh của một đi-ốt đường hầm như trong hình 2.3 dưới đây. Hình 2.3: Đặc tính I-V tĩnh của một đi-ốt đường hầm TD Ở hướng ngược, dòng điện tăng một cách đơn điệu (tăng đều). Ở hướng tiến, ban đầu dòng điện tăng đến giá trị cực đại gọi là dòng điện đỉnh I p tại mức điện áp V p , sau đó giảm đến giá trị cực tiểu I v tại mức điện áp V v . Khi điện áp tiếp tục tăng quá giá trị V v , thì dòng điện tăng theo hàm số mũ của điện áp. Đặc tính tĩnh này là kết quả của ba thành phần dòng điện: dòng xuyên hầm vùng-vùng (band- to-band), dòng khuếch tán và dòng nhiệt. Có hai hình thức xuyên hầm: xuyên hầm trực tiếp và xuyên hầm gián tiếp như chỉ ra trong hình 2.5a và 2.5b. 8 Hình 2.5a: Điện tử xuyên hầm trực tiếp Hình 2.5b: Điện tử xuyên hầm gián tiếp b. Cấu trúc vật lý của RTD Cấu trúc RTD gồm hai hàng rào bán dẫn dày 1nm đến 5nm. Hai hàng rào này phân cách nhau từ 2nm đến 6nm và được tích hợp trong một khối bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ hơn nhiều so với năng lượng vùng cấm của vật liệu tạo nên hàng rào. Nhờ đó, mặc dù các hạt tải bị giam giữ trong vật liệu có vùng năng lượng cấm thấp hơn nhưng vẫn có thể xuyên qua các hàng rào mỏng khi được cấp một thiên áp. 13 Hiệu suất của bộ nhân RTD được xác định theo công thức: (3.23) Trong đó, G IF , G RF tương ứng là điện dẫn cổng IF và RF, Z RF,g là trở kháng truyền tải giữa cổng vào và cổng ra khi đầu ra hở mạch. Hình 3.33 là kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ trộn RTD theo thiên áp ngoài V b . Hình 3.33: Kết quả mô phỏng hiệu suất của bộ trộn RTD theo thiên áp Ở đồ thị trên chúng ta thấy có hai đỉnh mà tại đó hiệu suất công suất của bộ trộn RTD đạt giá trị đỉnh và giá trị rãnh xảy ra tại các tần số tương ứng là V P và V V , trong đó tại tần số V P hiệu suất của bộ trộn cao hơn nhiều. Ngoài ra còn có một đỉnh phụ nữa xảy ra trước miền NDR do có sự uốn cong rất nhỏ trên đồ thị I-V. Tuy nhiên, phần âm này không đối xứng với phần dương do tính phi đối xứng của đồ thị I-V trong quá trình mô phỏng. 12 số, trở kháng của chúng bằng 0 tại các tần số tương ứng là f IF , f RF , f LO và bằng vô cùng tại tất cả các tần số khác. Do đó, các điện áp tồn tại hai bên cực của Đi-ốt là thiên áp một chiều Vb, điện áp V LO ở tần số bơm LO f LO , điện áp V IF ở tần số IF f IF và điện áp V RF ở tần số RF f RF . Hình 3.2: Cấu hình Z của bộ trộn RTD với các cổng IF, RF và LO Ngoài cấu hình dạng Z, bộ trộn RTD còn có cấu hình dạng Y như chỉ ra trong hình 3.3. G IF và G RF lần lượt là điện dẫn nguồn và điện dẫn tải, I g là nguồn dòng. Ba bộ lọc băng dừng (Stop Band Filter) SBF_IF, SBF_RF, SBF_LO là các hệ thống chọn lọc tần số, độ dẫn nạp của chúng bằng 0 tại các tần số tương ứng là f IF , f RF , f LO , và bằng vô cùng tại tất cả các tần số khác. Do đó, các điện áp tồn tại quanh đi-ốt khi này là V LO , V IF và V RF . Hình 3.3: Cấu hình Y của bộ trộn RTD với các cổng IF, RF và LO 9 Như chỉ ra trong hình 2.7, được hình thành trên nền chất bán dẫn cách điện GaAs, cấu trúc giếng lượng tử hàng rào kép gồm hai hàng rào AlGaAs không pha tạp được phân cách nhau bởi một giếng lượng tử GaAs không pha tạp. Cạnh hai hàng rào là hai lớp GaAs không pha tạp, mặt ngoài của hai lớp này là cực Ca-tốt và A-nốt. Đỉnh của RTD là vùng thuần trở và lớp mạ kim, đáy là một lớp GaAs không pha tạp. Hình 2.7: Cấu trúc cắt lớp của RTD GaAs/Al 0,4 Ga 0,6 As Lược đồ vùng của cấu trúc hàng rào kép được chỉ ra như hình 2.8 dưới đây: 10 Hình 2.8: Lược đồ vùng của cấu trúc hàng rào kép c. Mạch tương đương và đồ thị đặc trưng I-V Mạch tương đương của Đi-ốt đường hầm cộng hưởng hàng rào kép được chỉ ra trong hình 2.9. Hình 2.9: Mạch tương đương của RTD Bản chất của RTD gồm một điện trở dẫn biến thiên g(v) mắc song song với một điện dung biến thiên c(v), rồi mắc nối tiếp với điện trở hằng Rs. 11 Hình 2.10: Đồ thị I-V của RTD Đồ thị đặc tính DC I-V của một RTD được chỉ ra trong hình 2.10. Ban đầu, dòng điện tăng đều so với thiên áp một chiều. Dòng điện đỉnh I p đạt được khi năng lượng của các điện tử tới cộng hưởng với các mức năng lượng bên trong giếng. Sau khi trạng thái cộng hưởng này qua đi, dòng điện sẽ bị giảm đến giá trị dòng điện rãnh I v . Chính đặc điểm này đã thể hiện tính chất điện trở vi sai âm NDR của RTD. Sau khi giảm đến giá trị dòng điện rãnh, dòng điện lại tăng lên. Điện áp tương ứng với dòng điện đỉnh và dòng điện rãnh trên đồ thị I-V là V p và V v . Phần đồ thị âm gần như đối xứng lẻ với phần đồ thị dương. 3. Bộ trộn và bộ nhân sử dụng RTD a. Bộ trộn sử dụng RTD Cấu hình bộ trộn RTD được sử dụng rộng rãi nhất là bộ trộn Z như hình 3.2. Vb là thiên áp một chiều, và R IF và R RF tương ứng là trở kháng nguồn và trở kháng tải. Vg là điện áp nguồn. Ba bộ lọc băng thông BPF_IF, BPF_RF, BPF_LO là các hệ thống chọn lọc tần . ra là đi- ốt đi n kháng biến thiên, đi- ốt Schottky và đi- ốt đường hầm cộng hưởng RTD thì RTD là giải pháp thích hợp nhất cho các bộ trộn và bộ nhân ở. ra cho các bộ trộn và bộ nhân đó là sử dụng Đi -ốt đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode -RTD) thay cho các đi- ốt thông thường. Nhờ có các đặc