trần đức hiếu 2019 8131 dttt2

VIÞN ĐIÞN TỬ - VIàN THÔNG Đề tài : TÍNH TOÁN MỘT SÞ M¾CH PHÞI... LỜI MÞ ĐÀUNgày nay, th gi i thông tin ngày càng phát tri n mế ớ ể ột cách đa dạng và phong phú.. Điện tử tương tự là môn

VIÞN ĐIÞN TỬ - VIàN THÔNG

Đề tài : TÍNH TOÁN MỘT SÞ M¾CH PHÞI

Gi ảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN NAM PHONG

L ớp th c hi ự ện: ET-LUH64

Hà N i, 12-2021 ộ

L ỜI MÞ ĐÀ U

Ngày nay, th gi i thông tin ngày càng phát tri n mế ớ ể ột cách đa dạng và phong phú Nhu c u v thông tin liên l c trong cu c sầ ề ạ ộ ống càng tăng cả ề ố lượ v s ng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của nghành viễn thông cần mở rộng Điện tử tương tự là môn học cơ sở, nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thi t k các mế ế ạch điện trong h th ng mệ ố ạch điệ ửn t Ph i ố hợp tr kháng ở (Impedance matching) được dùng để truyền tải tối đa công suất

từ ngu n t i t i ồ ớ ả Đề tài tìm hiểu và < Tính toán mộ ố ạt s m ch ph i h p tr kháng ố ợ ở

< sẽ giúp người đọc hiểu được cách hoạt động và tầm quan trọng của việc ph i ố hợp tr kháng ở

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình tìm hiểu lượng kiến thức để hoàn thành đề tài còn hạn hẹp do đó không thể tránh khỏi nh ng sai sót Chúng ữ

em r t mong nhấ ận được những đóng góp ý kiến, phê bình, chia s c a thẻ ủ ầy để sửa ch a, b sung thêm ữ ổ ạ

Em xin chân thành cảm ơn

Contents

Phần 1 T ng quan 4ổ 1.1 Xác định yêu cầu 4 1.2 Khái ni m ph i h p tr kháng 4ệ ố ợ ở 1.3 H s ph m ch t Q 5ệ ố ẩ ấ 1.4 Tiêu chu n Bode - Fano 5ẩ 1.5 Các d ng ph i h p tr kháng 6ạ ố ợ ở Phần 2: Tính toán và so sánh 7 2.1 M ch ph i h p tr kháng hình ch L 7ạ ố ợ ở ữ 2.1.1 Re{ Zin} <R lowpass 7L,

2.1.2 Re{Zin} < RL, highpass 8 2.1.3 Re{Zin} >RL, lowpass 8 2.1.4 Re{Zin} >Rl, high pass 9 2.2 M ch ph i h p tr kháng hình ch T 10ạ ố ợ ở ữ 2.3 M ch ph i h p tr kháng hình ch Pi 11ạ ố ợ ở ữ 2.4 So sánh ưu điểm và nhược điểm 11

Phần 1 Tổng quan

1.1 Xác đßnh yêu c Áu

Yêu cầu tìm hiểu và tính toán một số mạch phối hợp trở kháng như sau:

-Thực hiện tính toán các trường hợp của mạch phối hợp trở kháng hình chữ L -Tìm hiểu và tính toán các dạng mạch phối hợp trở kháng hình Pi và hình T -So sánh 3 loại mạch Pi, T, L và nêu ưu nhược điểm và sự khác biệt về đáp ứng tần số, pha, biên độ

1.2 Khái nißm phßi hÿp trß kháng

- Matching network thường là không tổn hao lý tưởng và thường được thiết kế sao cho tr kháng nhìn vào matching network bở ằng Z0 → tri t tiêu ph n x trên ệ ả ạ

đường truy n, m c dù có th ề ặ ể có đa phản xạ trên đoạn Matching network và Load

-Mục tiêu ph i h p tr kháng: ố ợ ở

+ Lấy được công su t cấ ực đại trên t i, gi m thi u công su t tả ả ể ấ ổn hao trên đường truyền

+ Đố ới v i các phần t nh y thu, ph i h p tr ử ạ ố ợ ở kháng để tăng tỷ số tín hi u / nhi u ệ ễ của hệ thống (anten, LNA, …)

+ Ph i h p tr kháng trong m t mố ợ ở ộ ạng phân ph i công su t (m ng nuôi anten ố ấ ạ mảng) s cho phép giẽ ảm biên độ và lỗi pha

- N u ZL ch a ph n th c khác 0 thì m ng ph i hế ứ ầ ự ạ ố ợp tr kháng luôn có th tìm ở ể được Có nhiều phương án phối hợp, tuy nhiên c n theo các tiêu chí sau: ầ + Độ phức tạp: đơn giản, rẻ, dễ thực hi n, ít hao t n ệ ổ

+ Độ ộng băng: cầ r n phối hợp trở kháng tốt trong m t dộ ải t n r ng, tuy nhiên s ầ ộ ẽ phức tạp hơn

+ Lắp đặt: Tùy vào dạng đường truy n ho c ng d n sóng quyề ặ ố ẫ ết định phương án phối hợp TK

+ Kh ả năng điều ch nh: trong 1 s ỉ ố trường h p có th yêu c u MN hoợ ể ầ ạt động t t ố khi ZL thay đổi

Q là h s chệ ố ất lượng của mạch cộng hưởng, xác định bằng tỉ số năng lượng lưu trữ cho năng lượng tiêu tán

ý = 2�㔋āĀāþý ÿÿÿÿ�㕔ÿ ýĀĀā ā ýÿýýÿ ÿÿĀĀÿĀþþÿþĂþ ÿÿÿÿ�㕔ÿ ĀāĀÿÿþ ÿÿ þā þÿýÿ = 2�㔋�㔸�㕠

�㔸 �㔷 Với m i d ng m ch s có m t công th c Q khác nhau d a trên pỗ ạ ạ ẽ ộ ứ ự hương pháp tính toán, t ừ đó sẽ đánh giá được độ ộng băng thông củ r a mạch

1.4 Tiêu chu n Bode - Fano ẩ

- Các tiêu chu n Bode Fano cho các d ng tr kháng t i khác nhau cho bi t ẩ – ạ ở ả ế giới h n lý thuy t c a giá tr h s ph n x c c ti u có th có: ạ ế ủ ị ệ ố ả ạ ự ể ể

- Gi s mu n tả ử ố ổng h p 1 m ng ph i h p vợ ạ ố ợ ới đáp ứng c a h sủ ệ ố ph n x ả ạ như hình v ẽ (a) Khi đó nếu dùng mạch t i RC (a) thì ả

∫ �㕙�㕛|Γ|ý�㕤 = ∫ �㕙�㕛1 1

|Γ �㕚 |ý�㕤 = ∆ý�㕙�㕛 1

Γ�㕚

∆�㕚

∞

þ�㔶 (*)

- V i t i RC c ớ ả ố định, ∆ýtăng khi Γþ tăng

- Γþ chỉ = 0 khi ∆ý= 0

- Nếu R tăng và hoặc C tăng chất lượng phối h p giợ ảm t c là m ch High -Q ứ ạ ẻ khó ph i hố ợp hơn Lowen_Q

Vì �㕙�㕛 1

|Γ| tỷ l v i tệ ớ ổn hao ngược (return loss, dB) tại đầu vào c a mủ ạng ph i h p ố ợ (MN), (*) có th ể xem như là yêu cầu rằng diện tích giữa đường cong t n hao ổ ngược (RL) và đường ⎪Γ⎪ = 1 (RL = 0 dB) ph i nh ả ỏ hơn hoặc bằng 1 h ng s ằ ố Dấu = xảy ra (trường hợp tối ưu) khi đường RL được điều ch nh sao cho ỉ

⎪ ⎪ ΓΓ =þ trên toàn b ng thông ă ∆�㔔 và ⎪ ⎪Γ = 1 trong mi n còn lề ại Điều này chỉ

có th có v i s ph n t trong MN là vô cùng ể ớ ố ầ ử

Có rất nhiều kiểu cho mạch phối hợp trở kháng để truyền hiệu quả tín hiệu từ nguồn tới tải, và bất kì ứng dụng nào về phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại thì phụ thuộc vào chế độ hoạt động, mức tín hiệu đầu ra, tần số hoạt động,

độ rộng băng thông Mạch phối hợp trở kháng hỗn hợp có các cấu trúc: (a) L -transformer, (b) π -transformer, hoặc (c) T transformer như hình- - 1.2

Hình 1.2 Các d ng mạ ạch phối hợp tr kháng ở

Phần 2: Tính toán và so sánh

Điều ki n thi t k ệ ế ế phương trình:

Rp = ( Q + 1) Rs 2

Q = Qs = Qp

ý = √þā

þĀ2 1 = ((�㕋ā�㕋Ā) 2 1)

2

Qs = Xs/Rs

Qp = Rp/Xp

Hình 2.1 L sections trường h p 1 ợ

�㕍ÿ�㕛(Ā�㕤) =þÿ(12ÿ1�㔶1ý2)+Āÿ 1ý

1+Āþÿ�㔶1ý

Do đó, þþ{�㕍ÿ�㕛} = þý

1+ þý 2 �㔶1 2 ý 2= þý

1+ýā 2

�㔿1 = þý 2 �㔶1

1+ þý 2 �㔶1 2 ý 2 = þý

2 �㔶1 1+ýā 2 = ý12.�㔶1( ý2

1+ý 2);

C1= ý.þÿý

ý = √þÿþÿÿ2 1

�㕉ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}þÿ ;

�㔼ĀĂā

�㔼ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}

þÿ

2.1.2 Re{Zin} < RL, highpass

Hình 2.2 L sections trường h p 2 ợ

�㕍ÿ�㕛(Ā�㕤) =þÿ(12ÿ1�㔶1ý2)+Āÿ 1ý

2ý ÿ1.�㔶1+ �㔶1 2 Āý þý

Do đó, þþ{�㕍ÿ�㕛} = �㔶12 2 ý (ý ÿ1 2 22þýý+þý22ÿ1�㔶1)

�㔿1 = ý.ý; þý

C1= ý21.ÿ1(1 + 1

ý 2)

ý = √þÿ

þÿÿ2 1

�㕉ĀĂā

�㕉ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}þÿ ;

�㔼ĀĂā

�㔼ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}

þÿ ;

2.1.3 Re{Zin} >RL, lowpass

Hình 2.3 L sections trường h p 3 ợ

�㕍ÿ�㕛(Ā�㕤) = þÿ+Āÿ1ý

12ý ÿ1.�㔶1+ 2 Āý þý

Do đó, þþ{�㕍ÿ�㕛} = (12ý ÿ1.�㔶1) +(ýþý2 2þý(1+�㔶1))2

�㔿1 = ýþý

ý;

C1= ý21.ÿ1( ý2

1+ý 2)

ý = √þÿÿþÿ 2 1

�㔼ĀĂā

�㔼ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}þÿ ;

�㕉ĀĂā

�㕉ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}

þÿ

2.1.4 Re{Zin} >Rl, high pass

Hình 2.4 L sections trường h p 4 ợ

�㕍ÿ�㕛(Ā�㕤) =2þýý 2 ÿ1�㔶1+ 1ý Āÿ

12ý ÿ1.�㔶1+ 2 Āý þý

Do đó, þþ{�㕍ÿ�㕛} = (12ý ÿ1.�㔶1) +(ýþý2 þýý2ÿ1(2�㔶1+ý ÿ1�㔶12 )2 2 2)

�㔿1= 1

ý 2 �㔶1(1 +ý21);

C1= ý .ýþÿ1

ý = √þÿÿ

þý 2 1

�㔼ĀĂā

�㔼ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}þÿ ;

�㕉ĀĂā

�㕉ÿÿ = √þÿ{ýÿÿ}þÿ

Mạch phối h p tr kháng hình ch ợ ở ữ Pi dùng để ph i h p tr kháng giố ợ ở ữa 2 điểm nguồn và t i Mả ạch có t ụ điện và cuộn c m tả ạo thành một hình T như hình dưới đây:

-TH1: Cho dòng DC đi qua

�㕍ÿ�㕛�㕝þý = {[(þÿ+ Ā�㕋ÿ) + Ā�㕤 �㔿ÿ)//( 1

Ā�㕤 �㔶)] + Ā�㕤 �㔿ÿ

-TH2: Chặn dòng DC đi qua

�㕍ÿ�㕛�㕝þý = {[(þÿĀý.�㔶+ Ā�㕋ÿ) + 1

�㔿]//(Ā�㕤.�㔿)}// 1

Āý.�㔶�㕠

Mạch phối h p tr kháng hình ch Pi ợ ở ữ dùng để ph i h p tr kháng giố ợ ở ữa 2 điểm nguồn và t i Mả ạch có t ụ điện và cuộn c m tả ạo thành một hình Pi như hình dưới đây:

-TH1: Cho dòng DC đi qua

�㕍ÿ�㕛�㕝þý = {[(þÿ+ Ā�㕋Ā�㕤 �㔶ÿ)//ÿ)] + Ā�㕤 �㔿}//1 Ā �㕤 �㔶 1

Ā

-TH2: Chặn dòng DC đi qua

�㕍ÿ�㕛�㕝þý = {[(þÿ+ Ā�㕋ÿ)//(Ā�㕤 �㔶Ā�㕤 �㔿}//Ā�㕤�㔿ÿ)] + 1 ÿ

Mạch L match là các m ch k t h p tr kháng d i hạ ế ợ ở ả ẹp đơn giản nhất và được sử dụng r ng rãi nh t N u các tr ộ ấ ế ở kháng đầu cuối hoàn toàn là điện trở, thì phương pháp dựa trên Q được sử dụng để thiết k lo i m ch ế ạ ạ này Vì điều kiện k t h p ế ợ liên h p có th ợ ể được đáp ứng bằng cách s d ng m ch L, nên có th truy n ử ụ ạ ể ề công su t cấ ực đạ ở t n si ầ ố quan tâm Nhưng Q tải của mạch được cố định b i ở các tr kháng kở ết thúc đã cho Vì vậy nếu người thi t k mu n ch n Q c a m ch ế ế ố ọ ủ ạ thì ph i s d ng m ch Pi ho c T match ả ử ụ ạ ặ

Nói chung, tr ở kháng đầu cuối của máy phát và tải được mô t b ng các k t qu ả ằ ế ả

đo tần số thực và các tr kháng này có th ở ể được mô hình hóa như một điện trở

và m t ph n t ph n kháng m c n i ti p Vì vộ ầ ử ả ắ ố ế ậy, trước khi tuyên b thi t k ố ế ế mạch kết hợp Pi, mô hình tr kháng lo t này phở ạ ải được chuyển đổi thành mô hình song song Nhưng trong thiết kế của mạch đối sánh T, các mô hình chu i ỗ

đã cho có thể được s d ng, không cử ụ ần th c hiự ện bước biến đổi Sau đó, vì các mạng kết hợp Pi ho c T có th ặ ể được coi là hai m ch ạ L <đối lưng= với một điện trở ảo giữa hai mạch L, chúng có th ể được thi t k ế ế thông qua phương pháp dựa trên Q được xác định