1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADS Advanced Design System – Hệ thống thiết kế nâng cao EM Năng lượng trường điện từ HEMT High electron mobility transistor Bóng bán dẫn linh động điện tử cao HFET Heterostruct.
i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADS EM HEMT HFET MIM MOM MOS RFIC Advanced Design System – Hệ thống thiết kế nâng cao Năng lượng trường điện từ High-electron-mobility transistor - Bóng bán dẫn linh động điện tử cao Heterostructure FET- FET dị thể Tụ điện kim loại cách điện kim loại Metal-oxide-Metal – Tụ điện kim loại oxit kim loại Tụ điện bán dẫn oxit kim loại Radio frequency integrated circuit – Mạch tích hợp tần số vơ tuyến ii DANH MỤC HÌNH V Hình 1: Các phần tử tập trung; (a) tụ điện song song; (b) tụ điện khe hở; (c) tụ điện kỹ thuật số Hình 2: Chi tiết BJT; (a) Mặt cắt BJT; (b) Lưu lượng dòng BJT Hình 3: Chi tiết MOSFET; (a) Hình ảnh chiều MOSFET; (b) Mặt cắt ngang MOSFET; (c) Ba miền hoạt động MOSFET 10 Hình 4: Các loại MOSFET; (a) MOSFET loại p chế độ tăng cường; (b) MOSFET loại n chế độ tăng cường; (c) MOSFET loại p chế độ cạn kiệt; (d) MOSFET loại n chế độ cạn kiệt .11 Hình 5: Đặc tính điện áp – dòng MOSFET chế độ tăng cường 12 Hình 1: Sơ đồ vị trí khuếch đại công suất hệ thống thông tin 16 Hình 2: Một mạng cửa với trở kháng nguồn tải 17 Hình 3: Một mô tả đặc trưng mạch phi tuyến 19 Hình 4: Đặc tính cơng suất hệ số khuếch đại khuếch đại; (a) PIN = 10 mW tín hiệu nhỏ; (b) PIN = 50 mW khuếch đại bão hịa; (c) Đặc tính hệ số khuếch đại khuếch đại 20 Hình 5: Một chuỗi xung định kỳ qua hệ thống tuyến tính trải qua biến dạng .22 Hình 6: Sự phụ thuộc của; (a) công suất đầu ra; (b) dịng điện phân cực DC vào cơng suất đầu vào cho khuếch đại cơng suất điển hình .23 Hình 7: Sự phụ thuộc tổng công suất đầu ra, hiệu suất, tăng thêm công suất với công suất đầu vào cho bóng bán dẫn điển hình 24 Hình 8: Đồ thị phóng đại cơng suất đầu so với công suất đầu vào cho bóng bán dẫn 26 Hình 9: Các đặc tính điện áp dịng bóng bán dẫn sử dụng khuếch đại cho thấy điểm không hoạt động loại khuếch đại khác nhau; (a) đặc tính đầu ra, (b) đặc tính đầu vào 27 iii Hình 10: Các đặc tính điện áp dịng khuếch đại bóng bán dẫn hiển thị với đường dây tải khuếch đại chế độ A; (a) khuếch đại lưỡng cực; (b) FET khuếch đại 28 Hình 11: Bộ khuếch đại đầu loại A; (a) Transitor BJT với cực B, C E; (b) Transitor MOSFET có cực cổng G, cực máng D cực nguồn S 29 Hình 12: Dạng sóng đầu vào đầu cho loại khuếch đại khác nhau; (a) chế độ A, B, C AB khuếch đại; (b) khuếch đại chuyển mạch 30 Hình 13: Các dòng tải DC RF khuếch đại chế độ A, B C 31 Hình 14: Cấu hình khuếch đại 32 Hình 1: Giao diện phần mềm ADS mơ phỏng, tính tốn 40 Hình 2: Một số hình dạng thơng dụng phần tử, thiết bị .40 Hình 3: Bóng bán dẫn GaN HEMT NP2500MS .42 Hình 4: Sơ đồ ADS mô DC 46 Hình 5: Đặc tuyến ra: IDS = f(VDS) 46 Hình 6: Đặc tuyến truyền đạt: IDS = f(VGS) .47 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất lý tưởng .48 Hình 8: Đồ thị thể thông số: Hiệu suất (PAE), Công suất (P OUT), Công suất vào (PIN), Hiệu suất cực máng (Eff), Hệ số khuếch đại (Gain) .49 Hình 9: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK vào lý tưởng phần tử lý tưởng tần số hài 2f0= GHz .51 Hình 10: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng nguồn Z S2 trở kháng thực tế Z0= 50 Ω 52 Hình 11: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK vào lý tưởng phần tử lý tưởng tần số làm việc f0= GHz 52 Hình 12: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng nguồn Z S1 trở kháng thực tế Z0= 50 Ω 53 Hình 13: Cơng cụ Linecals ADS 53 iv Hình 14: Thơng số đế Megatron6 Panasonic 54 Hình 15: Xây dựng mạch PHTK vào nguyên lý phần tử mạch dải tần số hài 2f0= GHz 54 Hình 16: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng nguồn Z S2 cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 55 Hình 17: Xây dựng mạch PHTK vào nguyên lý phần tử mạch dải tần số làm việc f0= GHz 55 Hình 18: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng nguồn Z S1 cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(3,3) 56 Hình 19: Đặc trưng tổn hao mạch PHTK vào 56 Hình 20: Layout mạch PHTK vào 56 Hình 21: Sơ đồ mạch PHTK vào cấp độ trường điện từ (EM) 57 Hình 22: Đặc trưng tổn hao mạch EM mạch nguyên lý tần số làm việc f0= GHz 57 Hình 23: Đặc trưng trở kháng mạch EM mạch nguyên lý tần số làm việc f0= GHz 58 Hình 24: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK lý tưởng phần tử lý tưởng tần số hài 3f0 .58 Hình 25: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải ZL3 cấp độ lý tưởng 59 Hình 26: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK lý tưởng phần tử lý tưởng tần số hài 2f0= GHz .59 Hình 27: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải ZL2 cấp độ lý tưởng 59 Hình 28: Xây dựng sơ đồ mạch PHTK lý tưởng phần tử lý tưởng tần số làm việc f0= 3GHz .60 Hình 29: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải ZL1 cấp độ lý tưởng 60 Hình 30: Xây dựng mạch PHTK nguyên lý phần tử mạch dải tần số hài 3f0 61 v Hình 31: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải Z L3 cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 61 Hình 32: Xây dựng mạch PHTK nguyên lý phần tử mạch dải tần số hài 2f0 62 Hình 33: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải Z L2 cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(2,2) 62 Hình 34: Xây dựng mạch PHTK nguyên lý phần tử mạch dải tần số làm việc f0= 3GHz .63 Hình 35: Đồ thị Smith thể giá trị trở kháng tải Z L1 cấp độ nguyên lý S(1,1) so với lý tưởng S(3,3) 63 Hình 36: Đặc trưng tổn hao mạch PHTK .63 Hình 37: Layout mạch PHTK 64 Hình 38: Mạch PHTK cấp độ trường điện từ EM 64 Hình 39: Đặc trưng tổn hao mạch EM mạch nguyên lý tần số làm việc f0= GHz 65 Hình 40: Đặc trưng trở kháng mạch EM mạch nguyên lý tần số làm việc f0= GHz 65 Hình 41: Sơ đồ nguyên lý tụ thông .66 Hình 42: Đặc trưng tụ thơng; Trở kháng zin (Ω)) .66 Hình 43: Sơ đồ nguyên lý cuộn chặn 67 Hình 44: Đặc trưng cuộn chặn; Trở kháng zin (Ω)) 67 Hình 45: Sơ đồ nguyên lý mạch phân áp 68 Hình 46: Đặc trưng mạch phân áp 68 Hình 47: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 69 Hình 48: Kết mô hiển thị giá trị hiệu suất hệ số khuếch đại mạch nguyên lý so với mạch lý tưởng 69 Hình 49: Sơ đồ EM mạch khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 70 vi Hình 50: Kết mơ mạch EM so với mạch nguyên lý thể giá trị hiệu suất hệ số khuếch đại 71 Hình 51: Phổ tín hiệu 71 Hình 52: Dải thông mạch KĐCS cấp độ EM 72 Hình 53: Sơ đồ layout tồn mạch KĐCS bán dẫn siêu cao tần .73 vii DANH MỤC BẢNG BI Bảng 2.1: Các thông số hệ số ổn định Rollet 38 Bảng 2.2: Thông số ổn định Edwards-Sinsky cho bóng bán dẫn pHEMT 39Y Bảng 3.1: Các giá trị trở kháng nguồn/tải tối ưu nhờ công cụ tune opt 54 MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ PHẦN TỬ THỤ ĐỘNG, TÍCH CỰC 1.1 Phần tử thụ động 1.1.1 Tụ điện On-chip 1.1.2 Cuộn Cảm Phẳng .6 1.2 Phần tử tích cực 1.2.1 Các loại bóng bán dẫn 1.3 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 15 TỔNG QUAN CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI BÁN DẪN SIÊU CAO TẦN 15 2.1 Khái niệm, ứng dụng, vai trò kĩ thuật siêu cao tần 15 2.2 Khái quát chung khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần 16 2.2.1 Thiết kế khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 17 2.2.2 Thiết kế khuếch đại cơng suất tuyến tính 26 2.2.3 Phân loại mạch khuếch đại công suất .26 2.3 Tiêu chí ổn định Rollet – hệ số k 32 2.4 Tiêu chí ổn định Edwards-Sinsky – hệ số μ 34 2.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 39 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BÁN DẪN SIÊU CAO TẦN TRÊN PHẦN MỀM KEYSIGHT ADS 39 3.1 Giới thiệu phần mềm, tính tốn đồ án 39 3.2 Bài toán thiết kế 41 3.2.1 Xây dựng tiêu kỹ thuật quan trọng .42 3.2.2 Lựa chọn bóng bán dẫn 42 3.2.3 Lựa chọn sơ đồ mạch điện .42 3.2.4 Lựa chọn công nghệ chế tạo 43 3.2.5 Xác định điểm làm việc tĩnh 43 3.2.6 Tính tốn trở kháng vào/ra .47 3.2.7 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào, .50 3.2.8 Thiết kế mạch phân áp .66 3.2.9 Chạy mơ tồn mạch 68 3.2.10 Layout toàn mạch 72 3.3 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 LỜI MỞ ĐẦU Trong sống, trao đổi thông tin nhu cầu thiết yếu người, nhu cầu xuất từ lâu người biết dùng đến lửa, tiếp đến sử dụng tiếng động, ký hiệu tượng hình, âm thanh, hình ảnh để trao đổi thông tin liên lạc với Tiếp tục giữ vai trị quan trọng khơng ngừng phát triển, thông tin vô tuyến sử dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực phát truyền hình quảng bá, thơng tin vệ tinh, qn sự, hàng khơng vũ trụ, liên lạc sóng ngắn Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa nay, việc ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật đại vào tất lĩnh vực xã hội, kinh tế với quy mô ngày mở rộng Việc bùng nổ thơng tin u cầu đặt cho việc thông tin liên lạc lại cao nhiều ngày mở rộng cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực điện tử viễn thông như: mạng vô tuyến không dây, truyền hình, điện thoại di động đặc điểm chung lĩnh vực ứng dụng u cầu sóng vơ tuyến sử dụng phải có bước sóng ngắn (cỡ dm) phải có tần số cao (dải GHz) gọi sóng siêu cao tần Khi thực truyền tin với cự ly xa, thực truyền tin tới vùng có địa hình phức tạp hải đảo, vùng xa xôi, vùng núi, hay yêu cầu truyền thơng với vùng phủ sóng rộng qua hệ thống thơng tin, tốn nâng cao cơng suất phát tín hiệu ln tốn khó phức tạp Năng lượng sản phẩm quý giá có tính khan hệ thống thơng tin Tổng công suất tiêu thụ hệ thống thường bị chi phối khuếch đại công suất siêu cao tần việc nâng cao hiệu mạch khuếch đại công suất siêu cao tần nhu cầu ngày cấp thiết Để khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc hiệu phải làm việc với hiệu suất cao không làm méo tín hiệu Chính vậy, dựa kiến thức giảng dạy, học tập Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự em chọn đồ án “Nghiên cứu nâng cao hiệu làm việc cho ... cao tần việc nâng cao hiệu mạch khuếch đại công suất siêu cao tần nhu cầu ngày cấp thiết Để khuếch đại công suất siêu cao tần làm việc hiệu phải làm việc với hiệu suất cao khơng làm méo tín hiệu. .. án ? ?Nghiên cứu nâng cao hiệu làm việc cho khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần? ?? Nhiệm vụ đồ án nâng cao hiệu suất, độ tuyến tính KĐCS bán dẫn siêu cao tần GHz Bộ KĐCS sử dụng bóng bán dẫn. .. trò kĩ thuật siêu cao tần 15 2.2 Khái quát chung khuếch đại công suất bán dẫn siêu cao tần 16 2.2.1 Thiết kế khuếch đại bán dẫn siêu cao tần 17 2.2.2 Thiết kế khuếch đại cơng suất tuyến