Đề tài mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp lna ở tần số 2 6ghz cho 5g sub band

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài:   MÔ PHỎNG BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP LNA Ở TẦN SỐ 2.6GHZ CHO 5G SUB BAND  Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Anh Quang  Mã lớp học : 124820  Nhóm sinh viên thực : STT   Tên MSSV Lương Thị Kim Oanh 2018271 Bùi Thị Nga 2018270 Nguyễn Thị Hương 2018269 Lớp Điện tử 04-K63 Điện tử 03-K63 Điện tử 02-K63   Hà Nội, 6/2021 LỜI MỞ ĐẦU   Trong xã hội ngày phát triển không ngừng, đặc biệt lĩnh vực khoa học công nghệ, nhu cầu tiếp nhận, cập nhật thông tin người tăng cao Vì thế, thiết bị di động ngày trở nên phổ biến cần thiết   Ngày nay, thiết bị di động khơng đơn dùng để liên lạc, mà cịn địi hỏi phải truy cập vào mạng Internet, có khả cập nhật thơng tin cách liên tục nhanh Bên cạnh đó, thiết bị cần ngày trở nên nhỏ gọn thẩm mỹ   Các thiết bị di động thu phát sóng Tín hiệu thu tín hiệu vơ tuyến, với khả di động cao, tín hiệu thu thường bé ảnh hưởng mơi trường tạp âm Chính thế, việc phát triển khuếch đại tạp âm thấp (LNA- Low Noise Amplifier) với yêu cầu nhỏ gọn, hệ số khuếch đại lớn cần thiết   Ngày nay, với bùng nổ công nghệ kĩ thuật, thiết bị di động như: điện thoại thơng minh, máy tính bảng, laptop, phổ biến Do vậy, việc truy cập vào mạng Internet đòi hỏi mạng truy cập phát triển mạnh mẽ Việc phát triển mạng 5G sub band tần số chuẩn 2,6GHz vơ cần thiết Vì thế, chúng em lựa chọn tìm hiểu đề tài “Thiết kế mô khuếch đại tạp âm thấp LNA tần số 2,6 GHz cho 5G sub band” Lời cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, bảo tận tình thầy TS Nguyễn Anh Quang tạo điều kiện tốt để chúng em hoàn thành  bài báo cáo Trong trình nghiên cứu tìm hiểu đề tài, cố gắng vốn kiến thức hạn chế khoảng thời gian hạn hẹp nên báo cáo tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, chúng em mong thầy thơng cảm nhận góp ý, sửa sai thầy để báo cáo chúng em hoàn thiện   Chúng em xin chân thành cảm ơn!     MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU i DANH MỤC HÌNH ẢNH .ii CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm LNA .1 1.1.1 Định nghĩa .1 1.1.2 Mục đích sử dụng 1.1.3 Vị trí LNA 1.2.1 Hệ số tạp âm (Noise Figure) 1.2.2 Các tham số tán xạ (Scattering Parameters/ S-Parameters) .3 1.2.3 Độ khuếch đại 1.2.4 Độ ổn định .5 1.2.5 Độ tuyến tính CHƯƠNG 2: MẠCH THIẾT KẾ LNA VÀ MÔ PHỎNG .7 2.1 Giới thiệu phần mềm mô mạch ADS .7 2.2 Sơ đồ khối thiết kế LNA 2.3 Thiết kế mô mạch phần mềm ADS 2017 2.4 Mạch mô kết 12 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO .19   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các tiêu chí yêu cầu thiết kế LNA 15 Bảng 2.2 Bảng thông số tuyệt đối cao 17 Bảng 2.3 Bảng giá trị S-parameter ATF-35143 18 Bảng 2.4 Bảng giá trị tạp âm ATF-35143 18   DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ khối phần đầu máy thu tín hiệu Hình Bộ khuếch đại Hình Điểm nén 1-dB Hình Sơ đồ khối LNA  14 Hình 2 Sơ đồ matching đầu vào 12 Hình Đồ thi Smith mô tả Zin Zout 13 Hình Mạch thiết kế LNA hoàn chỉnh 14 Hình Hệ số khuếch đại mạch 15 Hình Hệ số ổn định mạch 16 Hình Hệ số tạp âm mạch 16   CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm LNA: Định nghĩa:   Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) khuếch đại điện tử sử dụng để khuếch đại tín hiệu có cường độ thấp, thường từ ăng-ten nơi mà tín hiệu khơng thể nhận LNA thành phần mạch quan trọng xuất radio loại máy thu tín hiệu khác Mục đích sử dụng: Biên độ tín hiệu phát vơ tuyến đến phía đầu thu nhận thường nhỏ, ta cần sử dụng khuếch đại tạp âm thấp (LNA) nhằm mục đích thu tín hiệu nhỏ cách xác Các mạch cao tần thường phi tuyến, nhạy cảm với nhiệt mạch Chính tạp âm ảnh hưởng nhiều q trình thu khơi phục lại tín hiệu liệu Việc khuếch đại thơng thường giúp khuếch đại cơng suất tín hiệu, đồng thời khuếch đại tạp âm  Vì vậy, LNA dùng để khuếch đại tín hiệu cần thiết để đạt độ tăng ích (gain) tốt nhất, đồng thời hạn chế tối đa khuếch đại tạp âm (noise) Vị trí LNA: Hình 1 Sơ đồ khối phần đầu máy thu tín hiệu Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA khối vô cần thiết hệ thống thu  phát thông tin, đặc biệt phía bên thu (Receiver)   Bộ LNA đặt sau Lọc thông dải (BPF) tín hiệu vơ tuyến thu từ anten có cơng suất thấp khuếch đại thơng qua LNA Đồng thời, với thiết kế đặc biệt, LNA khuếch đại cơng suất tín hiệu với mức tạp âm tối ưu thấp Khi hệ số tạp âm Noise Figure (NF) thấp Từ đây, dựa vào cơng thức Friiss hệ số tạp âm NF tồn máy thu thấp nhất, ảnh hưởng nhiều từ tầng khuếch đại 4.1 Các thông số thiết kế LNA: 4.2 Hệ số tạp âm (Noise Figure): Có hai loại nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng việc thu tín hiệu -  Nhiễu ngồi: Gây mơi trường bên ngồi -  Nhiễu nhân tạo: Gây chế tia lửa điện : động điện huỳnh quang, đánh lửa động xe,… chúng đến anten thu theo cách giống tín hiệu vơ tuyến   Nhiễu khí quyển: Một dàn nhiễu ngẫu nhiên gây xáo động bầu khí trái đất ( chủ yếu sấm chớp)  Nhiễu vũ trụ: Gây xạ mặt trời, mặt trăng, sao, thiên hà… -  Nhiễu trong: Hay cịn gọi nhiễu nội tạo máy thu, mạch điện cấp nguồn, điện tử dao động cách ngẫu nhiên Sự dao động tạo nhiệt Đối với mạch cao tần, chuyển động vô lớn lượng nhiệt tỏ đáng kể Lúc hình thành kênh tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu truyền hệ thống Trong hệ thống RF, tạp âm kết hợp từ nhiều nguồn khác Tạp âm nội: tạp âm tạo bên hệ thống, nên gọi tạp âm nội Có ba loại tạp âm nội hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker   Noise  - Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) Đây loại tạp âm sinh từ chuyển động ngẫu nhiên điện tử ion vật dẫn điện chất bán dẫn gây hiệu ứng nhiệt Trong linh kiện điện tử, tín hiệu ngẫu nhiên tạo cấu kiện điện tử có cơng suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ cấu kiện này, có phổ trải dài vơ hạn nên cịn có tên nhiễu trắng Công suất tạp âm định nghĩa: Trong đó:  p : cơng suất tạp âm (W) k : số Boltzmann (J/K) T : nhiệt độ vật dẫn (K)   : băng thông (Hz)   Công suất nhiễu tỷ lệ thuận với băng thông nên để giảm công suất nhiễu nên máy thu cần thiết kế cho có băng thơng nhỏ Các tham số tán xạ mô tả mối quan hệ đầu vào - đầu cửa hệ thống điện Trong thiết kế RF, ta sử dụng tham số khác để phân tích, chẳng hạn tham số Z, Y, H thực phân tích ngắn mạch hở mạch điều khơng khả thi Hệ số tạp âm (Noise Figure) thước đo sử dụng để chất lượng khuếch đại Nó định nghĩa tỷ lệ tổng công suất nhiễu đầu so với nhiễu đầu gây nguồn đầu vào Hệ số tạp âm cho biết hiệu suất tạp âm (noise) hệ thống tần số vô tuyến (RF), thông số thường đo cách sử dụng tạo nhiễu tiêu chuẩn tạo tín hiệu tiêu chuẩn Giá trị số nhiễu thấp, hiệu suất hệ thống RF tốt Hệ số tạp âm NF hệ thống định nghĩa công thức:     Trong đó:  NF tính theo đơn vị [dB]  Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – cơng thức Friiss:   Trong đó: Fn là hệ số tạp âm tầng thứ n Gx là độ khuếch đại tầng thứ n   Từ công thức trên, ta thấy độ khuếch đại hệ số tạp âm tầng thứ vô quan trọng, ảnh hưởng đến toàn hệ thống Các tham số tán xạ (Scattering Parameters/ S-Parameters): Các tham số tán xạ mô tả mối quan hệ đầu vào - đầu cửa hệ thống điện Trong thiết kế RF, ta sử dụng tham số khác để phân tích, chẳng hạn tham số Z, Y, H thực phân tích ngắn mạch hở mạch điều không khả thi   Đối với mạng hai cực, tham số S định nghĩa sau:   : hệ số phản xạ điện áp cửa vào   : tỉ số điện áp cửa đặt sóng vào cửa   : độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) mạng cửa   : hệ số phản xạ điện áp cửa vào Độ khuếch đại: Hình Bộ khuếch đại Độ khuếch đại (Gain) khuếch đại mối quan hệ tín hiệu đo đầu với tín hiệu đo đầu vào Độ khuếch đại thường biểu diễn  bởi đơn vị dB Độ khuếch đại khuếch đại tính đơn vị dB Công thức xác định độ khuếch đại:   Có thể phân thành loại khuếch đại với mục đích khác nhau: -  Khuếch đại điện áp :     Hình Điểm nén 1-dB Biên độ điểm nén 1-dB:  Ngoài điểm nén 1-dB, để đánh giá mức độ tuyến tính, người ta dùng thơng số điểm chặn bậc 3(Third Intercept Point): Đối với hệ thống nhiều tầng, điểm chặn IP3 xác định hệ thức:   CHƯƠNG 2: MẠCH THIẾT KẾ LNA VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Giới thiệu phần mềm mô mạch ADS Advanced Design System (ADSTM): Advanced Design System công ty hàng đầu ngành thiết kế miền tần số cao, hỗ trợ hệ thống điện tử kỹ sư thiết kế RF phát triển tất loại thiết kế RF, từ đơn giản đến phức tạp nhất, từ mơ-đun RF vi sóng để tích hợp MMIC cho ứng dụng liên lạc hàng không vũ trụ ADS với công nghệ mô hồn chỉnh từ tần số, thời gian, mơ miền số vật lý đến mô trường điện từ, ADS cho phép người thiết kế mô tả đầy đủ tối ưu hóa thiết kế Mơi trường phần mềm dễ dàng mở rộng, thêm thư viện phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể Advanced Design System phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử mạnh mẽ sử dụng để thiết kế mạch RF truyền thông mạng không gian hàng không vũ trụ ADS cung cấp thiết kế xác minh đầy đủ, dựa tiêu chuẩn với thư viện  phong phú nhiều chế độ mô khác Trong tiểu luận này, nhóm tiến hành mơ thiết kế hệ thống LNA phần mềm ADS 2017.1 2.2 Sơ đồ khối thiết kế LNA   Hình Sơ đồ khối LNA - Sơ đồ khối LNA bao gồm khối chính:  Phối hợp trở kháng đầu vào (Input Matching Network) (1)  Phối hợp trở kháng đầu (Output Matching Network) (2)  Định thiên, phân cực cho Transistor (Biasing Network) (3) - Khối (1) (2) có nhiệm vụ tối đa hóa khả khuếch đại cơng suất  bộ LNA - Khối (3) có tác dụng giúp transistor hoạt động ổn định Yêu cầu đặt nhóm thiết kế LNA cho wifi hoạt động tần số 2.6 GHz với hệ số khuếch đại lớn, tạp âm nhỏ băng thông rộng Các tiêu cụ thể đưa bảng sau: Parameter Value Frequency 2.6 GHz    Noise Figure NF < 2.5 dB Gain signal Av > dB Input impedence 50 Ω 50 Ω Output impedence Lower consumption P < 25 mW Bảng 2.1 Các tiêu chí yêu cầu thiết kế LNA 2.3 Thiết kế mô mạch phần mềm ADS 2017 Bộ LNA hoạt động tần số 2.6 GHz thuộc dải tần số cao, dễ gặp phải vấn đề phi tuyến Vì thế, việc thiết kế mô mạch cần lựa chọn phần mềm tương thích với dải tần cao ADS 2017 Sau trình tìm hiểu, chúng em chọn sử dụng transistor ATF 35143 để thực mô thiết kế LNA Dưới thông số ATF 35143: ATF-35143 với tạp âm thấp độ tuyến tính cao, sử dụng nhiều ứng dụng mạng LAN không dây, WLL/RLL, MMDS hệ thống yêu cầu tạp âm thấp với khoảng hoạt động tốt dải tần số 450 MHz đến 10 GHz Dưới thông số quan trọng cần ý từ datasheet   - Các thông số tuyệt đối cao nhất: Bảng 2.2 Bảng thông số tuyệt đối cao - Các giá trị S-parameters tần số xác định (Xét V DS=2V, IDS=10mA):   Bảng 2.3 Bảng giá trị S-parameter ATF-35143 - Các giá trị tạp âm tần số xác định (Xét V DS=2V, IDS=10mA): Bảng 2.4 Bảng giá trị tạp âm ATF-35143 Từ bảng liệu transistor ATF-35143, với tham số S tham số  NF, Gain, ta có cơng thức xác định trở kháng đầu vào trở kháng đầu mạch thông qua tham số S11 S22 là:     Do làm việc tần số cao, ta coi trở kháng ghép nối khối 50Ω, toán trở thiết kế mạch phối hợp trở kháng cho với trở kháng nguồn = 50Ω trở kháng tải = 50Ω 2.4 Mạch mô kết Cấp nguồn theo thông số datasheet ATF-35143 tiến hành matching lối vào lối mạch tần số 2.6 GHz: Hình 2 Sơ đồ matching đầu vào Từ đó, ta thu kết S11, S22:   Hình Đồ thi Smith mơ tả Zin Zout Sau thực mô thiết kế với đầu vào đầu ra, ta đưa sơ đồ thiết kế khuếch đại tạp âm thấp LNA tần số 2.6 GHz:   Hình Mạch thiết kế LNA hoàn chỉnh Kết mơ thu được:   Từ hình vẽ, ta thu kết Tại tần số 2,6GHz: - Hệ số khuếch đại mà mạch thiết kế đạt xấp xỉ dB : Hình Hệ số khuếch đại mạch   - Hệ số ổn định mạch thiết kế đạt 2,384 đáp ứng yêu cầu: Hình Hệ số ổn định mạch Hình biểu diễn hệ số tạp âm mạch Như ta thấy tần số 2.6 GHz  NFmin đạt 2.263 thỏa mãn yêu cầu Hình Hệ số tạp âm mạch Từ kết thu được, ta có nhận xét:   - Để tăng gain:  Tăng  Tăng  Tăng   Sử dụng cấu trúc mạch khuếch đại khác - Để giảm NF:  -  Tăng hệ số phẩm chất  Tăng dịng làm tăng Tăng độ tuyến tính cho mạch: Giảm Điều chỉnh dòng Sử dụng kỹ thuật tuyến tính hóa      KẾT LUẬN Quá trình thực đề tài thực khoảng thời gian hữu ích cho nhóm em nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật siêu cao tần, đồng thời củng cố lại kiến thức học Qua đó, nhận thấy khó khăn triển khai ứng dụng lý thuyết siêu cao tần vào thực tế Qua trình tìm hiểu thực đề tài, nhóm thu kết sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông không dây tần số cao -  Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quát kỹ thuật siêu cao tần tìm hiểu kỹ thuật  phối hợp trở kháng để đưa giải pháp tối ưu thiết kế khuếch đại LNA  băng tần S - Sử dụng phần mềm chuyên dụng ADS để thiết kế, mô mạch siêu cao tần, đặc biệt khuyếch đại tạp âm thấp LNA - Do thời gian có hạn, siêu cao tần lại vấn đề phức tạp nên kết đạt hạn chế Đề tài phần nhỏ hệ thống thông tin liên lạc nhiều vấn đề cần giải tích hợp hệ thống lớn Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ thầy trình chúng em hoàn thiện báo cáo Trong suốt khoảng thời gian học môn Điện tử tương tự II thầy cung cấp cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích , đặc biệt lĩnh vực siêu cao tần Mặc dù nhóm cố gắng hồn thiện báo cáo tránh khỏi sai xót Chúng em mong nhận thơng cảm góp ý từ thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn!   TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Behzad Razavi, RF Microelectronics Prentice Hall, 2009 [2]. Phan Anh, Lý thuyết Kỹ thuật Anten.NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3]. Nguyễn Anh Quang, Bài giảng tương tự II