Mô phỏng bộ trộn tần cho tần số fm sử dụng phần mềm ads

Thiết kế mixer trên phần mềm ADS mô phỏng DC, AC và các thông số đặc trưng của mạch, tính toán các giá trị của các linh kiện, thiết kế mạch, biết được cách điều chỉnh giá trị các linh kiện để các thông số mô phỏng như mong muốn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Đề tài: MÔ PHỎNG BỘ TRỘN TẦN CHO TẦN SỐ FM SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang Mã lớp: 116280 Sinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến Dũng 20172493 Phạm Minh Đức 20172476 Đào Xuân Phùng 20172750 Vương Kiều Oanh 20172742 Hoàng Nhật Quang 20172772 Hà Nội, tháng 06 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Điện tử tương tự II môn học sở cốt lõi ngành Điện tử - Viễn thông Môn học bao gồm nội dung: nguyên lý mạch cao tần, kiến trúc máy thu phát vô tuyến, khối thành phần máy thu phát vô tuyến như: mạch tạo dao động điều hòa, mạch giải điều chế tương tự, mạch điện đổi tần vịng khóa pha, lọc cao tần Để hiểu, tiếp thu vận dụng kiến thức trên, cần học lý thuyết tập lớp, thực hành phịng thí nghiệm, mà chúng em cịn cần làm tập lớn thiết kế mô thành phần mạch thu phát cao tần phần mềm mơ Vì vậy, nhóm chúng em chọn trộn tần (mixer) cho tần số FM để thiết kế, mơ trình bày báo cáo Bài báo cáo thể kết hợp tác làm việc nhóm sinh viên Viện Điện tử-Viễn thông, thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Lê Văn Tiến Dũng, Phạm Minh Đức, Đào Xuân Phùng, Vương Kiều Oanh, Hoàng Nhật Quang Nội dung báo cáo trình bày chương: Chương Lý thuyết chung trộn tần: cung cấp khái niệm, phân loại thông số đặc trưng mixer, với lý mà chúng em chọn mixer mô Chương Mô mixer cho tần số FM sử dụng phần mềm ADS: thông qua việc mô DC, AC thơng số đặc trưng mạch, chúng em tính toán giá trị linh kiện, thiết kế mạch, biết cách điều chỉnh giá trị linh kiện để thông số mô mong muốn Mặc dù nghiêm túc cố gắng tìm hiểu, tra cứu tài liệu tự mô nhiều lần chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong thầy (cơ) đánh giá, góp ý để chúng em hoàn thiện phần kiến thức Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Anh Quang cung cấp kiến thức môn học đóng góp ý kiến cho mơ chúng em Hà Nội, ngày 21, tháng 06, năm 2020 Nhóm sinh viên thực MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iv CHƯƠNG LÝ THUYẾT CHUNG VỀ BỘ TRỘN TẦN (MIXER) 1.1 Khái niệm Bộ trộn tần (Mixer) 1.2 Phân loại Mixer 1.3 Các thông số đặc trưng cho Mixer 1.3.1 Conversion Gain .4 1.3.2 Port-to Port Isolation .5 1.3.3 Gain compression 1.3.4 Third-order Intercept .6 1.3.5 Noise Figure 10 1.3.6 Dynamic Range .11 1.4 Lý chọn mạch 13 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MIXER CHO TẦN SỐ FM SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 14 2.1 Mô DC 14 2.2 Mô AC 17 2.3 Phối hợp trở kháng cho mạch sử dụng công cụ Optimization 19 2.4 Mơ tính Gain Conversion 21 2.4.1 Gain trước phối hợp trở kháng 21 2.4.2 Gain sau phối hợp trở kháng 23 2.5 Mơ tìm điểm nén dB .25 2.6 Mơ tìm giá trị TOI( Third Order Intermodulation Product) 26 2.7 Mơ tìm Noise Figure 28 2.8 Mô Transient 30 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC HÌNH VẼ HÌNH KIẾN TRÚC MÁY THU PHÁT HÌNH UPCONVERSION & DOWNCONVERSION MIXER HÌNH PHÂN LOẠI MIXER THEO PHẦN TỬ CẤU TẠO HÌNH SINGLE-DEVICE MIXER HÌNH SINGLE-BALANCED MIXER HÌNH DOUBLE-BALANCED MIXER HÌNH CONVERSION LOSS TRONG MẠCH MIXER HÌNH CÁC LOẠI PORT-TO-PORT ISOLATION HÌNH ĐIỂM NÉN 1DB HÌNH 10 HARMONIC PRODUCTS HÌNH 11 SỬ DỤNG BỘ LỌC LOẠI BỎ CÁC THÀNH PHẦN NHIỄU HÌNH 12 TƯƠNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIỮA ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA HÌNH 13 XÁC ĐỊNH THIRD-ORDER INTERCEPT POINT (TOI/IP3) HÌNH 14 NOISE TRONG BIPOLAR TRANSISTOR HÌNH 15 DYNAMIC RANGE HÌNH 16 SPURIOUS-FREE DYNAMIC RANGE HÌNH 17 SINGLE-DEVICE ACTIVE MIXERE HÌNH 18 MẠCH MƠ PHỎNG DC HÌNH 19 ĐẶC TUYẾN VOLT- AMPERE CỦA MẠCH HÌNH 20 GIÁ TRỊ IC KHI IB THAY ĐỔI HÌNH 21 MƠ HÌNH MẠCH MƠ PHỎNG DC HÌNH 22 GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ ĐỂ PHÂN CỰC MẠCH DC HÌNH 23 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN MẠCH HÌNH 24 MẠCH SỬ DỤNG ĐỂ MƠ PHỎNG AC HÌNH 25 THÀNH PHẦN TẠP ÂM TẠI 100 MHZ HÌNH 26 HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI CỦA MẠCH KHI MƠ PHỎNG AC HÌNH 27 MẠCH ĐÃ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG HÌNH 28 ĐỒ THỊ SMITH HÌNH 29 MỤC TIÊU PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG HÌNH 30 GIÁ TRỊ MƠ PHỎNG S22 TẠI TẦN SỐ IF ĐẦU RA HÌNH 31 MẠCH ĐIỆN MƠ PHỎNG TÍNH GAIN HÌNH 32 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TẦN SỐ ĐƯỢC TRỘN HÌNH 33 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CƠNG SUẤT TÍN HIỆU KHI CHƯA PHTK HÌNH 34 DOWNCONVERSION GAIN CỦA MẠCH HÌNH 35 CÁC THAM SỐ HÌNH 36 CONVERSION GAIN KHI CHƯA PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG HÌNH 37 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CƠNG SUẤT TÍN HIỆU SAU KHI PHTK HÌNH 38 CONVERSION GAIN SAU KHI PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG HÌNH 39 MẠCH MƠ PHỎNG TÌM ĐIỂM NÉN DB HÌNH 40 CƠNG SUẤT TÍN HIỆU ĐẦU RA SO VỚI ĐẦU VÀO HÌNH 41 MẠCH MƠ PHỎNG IP3 HÌNH 42 MẠCH MƠ PHỎNG IP3 HÌNH 43 ẢNH HƯỞNG CỦA IP3 TỚI ĐẦU RA 2 3 6 8 10 11 12 12 13 14 14 15 15 16 17 17 18 18 19 20 20 21 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 27 27 HÌNH 44 GIÁ TRỊ TẠP ÂM MƠ PHỎNG HÌNH 45 GIÁ TRỊ NOISE FIGURE ĐẦU RA HÌNH 46 GIÁ TRỊ NOISE FIGURE ĐẦU RA HÌNH 47 MẠCH MƠ PHỎNG TRANSIENT HÌNH 48 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TÍN HIỆU ĐẦU RA 28 28 29 30 30 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CHUNG VỀ BỘ TRỘN TẦN (MIXER) 1.1 Khái niệm Bộ trộn tần (Mixer) Mixer (hay trộn tần) khối mạch thu phát RF, có chức cho dịch tần số từ băng tần sang băng tần khác cách nhân hai tín hiệu với Mixer có cổng: cổng RF (Radio Frequency port), cổng LO (Local Oscillator port), cổng IF (Intermediate Frequency port) Hình Kiến trúc máy thu phát Như thể hình , mạch phát RF, mixer có nhiệm vụ đẩy tần số phát lên cao để truyền nên gọi Upconversion mixer Upconversion mixer có đầu vào tín hiệu RF LO, cho đầu tín hiệu IF có tần số f IF =f RF ± n f LO Trong mạch thu RF, mixer có nhiệm vụ hạ tần số xuống để khơi phục lại tín hiệu ban đầu nên gọi Downconversion mixer Downconversion mixer có đầu vào tín hiệu IF LO, cho đầu tín hiệu RF có tần số f RF =nf LO ± f IF Hình Upconversion & Downconversion Mixer 1.2 Phân loại Mixer Dựa vào thành phần tạo phi tuyến, co thể phân chia mixer thành hai loại: Bộ trộn tần chủ động (Active Mixer) trộn tần thụ động (Passive Mixer) Cả hai loại mạch ứng dụng nguyên lý chuyển mạch (Switching) để làm nhiệm vụ trộn tần, nhiên mạch Passive Mixer không khuếch đại tín hiệu, mạch Active mixer có khả khuếch đại tín hiệu nhờ chuyển đổi điện áp dẫn đến thay đổi dòng voltage-tocurrent( V/I) chuyển đổi dòng điện dẫn đến thay đổi điện áp current-tovoltage( I/V) chuyển mạch Đặc điểm phân biệt hai loại mixer tóm tắt bảng sau: Active mixer Passive mixer Phần tử tạo phi tuyến BJT, FET Diode Khả khuếch đại Có Khơng Hình Phân loại Mixer theo phần tử cấu tạo Dựa theo số lượng cách mắc thành phần phi tuyến, mixer phân loại sau: - Single-device Mixer: sử dụng phần tử phi tuyến (một diode bóng bán dẫn) Mạch có thiết kế đơn giản, băng thơng rộng nhiên khơng có khả lọc tạp âm cần có lọc bơm Injection Filter Hình Single-device Mixer - Single-Balanced Mixer: Trong cấu trúc ta sử dụng hai phần tử phi tuyến, thường hai Single-device Mixer kết nối thông qua mạch lai( hybrid) 180 độ 90 độ Mạch có cải tiến đáng kể so với Single - device mixer cung cấp cách ly đầu vào LO RF Hình Single-balanced Mixer - Double-Balance Mixer: bao gồm bốn phần tử phi tuyến riêng kết nối nhiều hybrid, máy biến áp balun So với Single-Balanced Mixer có suy hao chuyển đổi cao giới hạn tần số tối đa thấp hơn, có băng thơng rộng Hình Double-balanced Mixer 1.3 Các thơng số đặc trưng cho Mixer 1.3.1 Conversion Gain Định nghĩa: Gain tỷ số cơng suất tín hiệu tải đầu với cơng suất tín hiệu đầu vào tính theo cơng thức sau: Trong đó:  Vout gọi IF Vin RF downconversion mixer ngược lại upconversion mixer  Nếu trở kháng vào trở kháng tải mixer trở kháng nguồn Gain tính theo đơn vị volts công suất Đặc điểm conversion gain trộn tần:  Gain mixer tương tự gain khuếc đại nhiên input output mixer có tần số khác  Cách phân biệt active mixer passive mixer: Active mixers có gain giá trị dương (trung bình khoảng +10dB) passive mixer ngược lại (Khoảng -6 dB)  Conversion gain phụ thuộc vào phối hợp trở kháng input output Một thông số khác quan trọng Tiêu hao chuyển đổi - Convesion Loss Conversion Loss đánh giá chênh lệch lượng RF đầu vào lượng IF đầu CL (dB)=P RF (dBm)−PIF (dBm) Thông thường, Conversion Loss tối ưu Passive Diode Mixer 3.9 dB Còn thực tế mức Conversion Loss dao động khoảng 4.5 tới 9dB tùy thuộc vào cấu tạo mạch, phần tiêu hao thêm bắt nguồn từ tiêu hao đường truyền, mismatch phần tử, tiêu hao điện trở cân Mixer Chú ý Mixer có bandwidth rộng có Conversion Loss cao Conversion Loss thơng số quan trọng Mixer liên quan mật thiết tới thông số khác Isolation điểm nén 1dB nên cần lưu ý thiết kế Mixer Hình Conversion Loss mạch Mixer 1.3.2 Port-to Port Isolation Đây thông số thể lượng cơng suất bị rị từ cổng Mixer tới cổng kia, độ chênh lệch công suất tín hiệu đầu vào cơng suất rị cổng Nói cách khác, ta đặt tín hiệu đầu vào cổng LO đo công suất cổng RF tần số LO, độ cách ly( isolation) tính sau: PISO(L-R) = Pin (LO) – Pout (RF) (dB) Độ cách ly có tính đối ứng, độ cách ly Port so với Port có giá trị xấp xỉ độ cách ly Port so với Port Có loại độ cách ly: - L - R isolation: Phần cơng suất rị từ cổng LO tới cổng RF - L – I isolation: Phần cơng suất rị từ cổng LO tới cổng IF - R – I isolation: Phần cơng suất rị từ cổng RF tới cổng IF