báo cáo bài tập lớn mô phỏng bộ tạo dao động cho gps dân dụng 1 5 ghz

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc về số lượng c a các thi t bủ ế ị điệ ử tiêu dùng như Điện thoại di dộng, Tivi, Radio, v.v.. GIỚI THIỆU

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đề tài 2:

MÔ PH NG B T Ỏ Ộ ẠO DAO ĐỘ NG CHO GPS DÂN D ỤNG 1.5 GHZ

Giáo viên hướng d n: TS Nguy n Anh Quang ẫ ễ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc về

số lượng c a các thi t bủ ế ị điệ ử tiêu dùng như Điện thoại di dộng, Tivi, Radio, v.v n tNhững nhu cầu về truyền thông tin trong hệ thống vô tuy n và các thi t bế ế ị không dây sẽ ngày càng gia tăng trong tương lai Nhu cầu về hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đang ngày càng phát triển trong nhiều lĩnh vực như giao thông, quân sự, đo đạc v.v Vì v y yêu c u ph n c ng cho các thi t b này ngày càng gậ ầ ầ ứ ế ị ắt gao hơn Tín

hi u truyệ ền đi thường qua nhiều kênh khác nhau như: FM, AM, wifi, v.v trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu Thông tin khi truyền đi ban đầu không có tần số tín

hi u mà chúng ta mong mu n chính vì v y chúng ta c n có mệ ố ậ ầ ột b tộ ạo dao động Bài toán thi t k , ng d ng B tế ế ứ ụ ộ ạo dao động LO trở nên c p thiấ ết và có ý nghĩa quan tr ng ọ

Chính vì v y, Bài t p lậ ở ậ ớn môn Điện Tử Tương Tự II nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “Mô ph ng b tỏ ộ ạo dao động LO cho GPS” để nghiên c u và ứ

cố gắng làm rõ hơn các nguyên lý hoạt động, tìm hi u mô ph ng b tể ỏ ộ ạo dao động

MỤC L C Ụ

LỜI NÓI ĐẦU i

DANH M C HÌNH VỤ Ẽ i

DANH M C B NG BIỤ Ả ỂU ii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 T ng quan v m ch tổ ề ạ ạo dao động (Oscillator) 1

1.1.1 M ch dao d ng Oscillator 1 ạ ộ 1.1.2 Mạch dao động Colpitts Oscillator 2

1.1.3 M c tiêu c a d án 4 ụ ủ ự 1.1.4 Yêu c u 5 ầ CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Phân tích 7

2.2 Lập sơ đồ khối 8

2.2.1 Điều kiện dao động và đặc điể m của m ch t ạ ạo dao động 8

2.2.2 Ổn định biên độ và t n s ầ ố dao động 11

2.3 T ng quan v GPS 13 ổ ề CHƯƠNG 3 THIẾT K VÀ MÔ PHẾ ỎNG 15

3.1 Ch n linh ki n mọ ệ ạch dao động LO cho GPS 15

3.2 Mô ph ng mỏ ạch dao động LO cho GPS 17

3.2.1 Gi i thi u ph n m m ADS 17 ớ ệ ầ ề 3.2.2 Các bước mô phỏng 18

3.2.3 K t qu mô phế ả ỏng 24

K T LUẾ ẬN 26

i

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 1.1 Ví d minh h aụ ọ 3

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch t ạo dao độ ng theo nguyên tắc hồi tiếp 8

Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch t ạo dao độ ng sử dụng mạch khu ếch đại 9

Hình 3.1 Sơ đồ m ch khuạ ếch đại emitto chung dùng transistor MPS 5179 15 Hình 3.2 Sơ đồ m ch mô phạ ỏng 17

Hình 3 3 Ph n m m ADSầ ề 18

ii

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể

B ng 1 1 Bả ảng ưu nhược điểm c a m ch Colpittsủ ạ 3

B ng 1 2 Phân công công viả ệc 6

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THI Ệ U Đ TÀI Ề

1.1 T ng qua v ổ n ề m ch t ạ ạo dao độ ng ( Os cillator)

1.1.1 Mạch dao d ng Oscillator ộ

Mạch dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau như dao động hình sin (dao động điều hòa), tao xung chữ nhật, tạo xung tam giác, xung răng cưa hoặc từng xung riêng bi t Trong ph n này ta ch xét các m ch tệ ầ ỉ ạ ạo dao động điều hòa, các m ch tạ ạo dao động xung được xét đến trong giáo trình “kỹ thuật xung” Các mạch tạo dao động điều hòa có th làm vi c trong d i t n tể ệ ả ầ ừ vài Hz đến hàng nghìn MHz Để ạo dao độ t ng có thể dùng các phần tử tích cực như đèn điện tử, Transistor lưỡng c c, FET, m ch khuự ạ ếch đại thu t toán ho c các ph n tậ ặ ầ ử đặc biệt như Điot Tunel, Điot Gunn

Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn Mạch tạo dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số rất cao

Ở tần s thấp và trung bình thường dùng mạch khuố ếch đại thuật toán để ạo tdao động, còn ở tần số cao thì dùng Transistor lưỡng cực hoặc FET hoặc các loại điot đặc biệt đã nêu ở trên

Cần lưu ý răng, khi dùng mạch khuếch đại để ạo dao độ t ng thi không cần dùng các m ch bù t n s , vì m ch bù t n sạ ầ ố ạ ầ ố làm gi m d i t n công t c c a b tả ả ầ ắ ủ ộ ạo dao động

Các tham số cơ bản c a m ch t o dao d ng g m t n s ra, ki u tín hiủ ạ ạ ộ ồ ầ ố ể ệu, độ

ổn định tần số và hiệu suất Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, khi thi t k có th ế ế ể

đặc biệt quan tâm đến một vài tham s nào đó hoặố c hạ thấp yêu cầu đối với tham

số khác, nghĩa là tùy thuộc yêu cầu sử dụng mà cân nhắc xác định các tham số một cách h p lí ợ

Có th t o dao dể ạ ộng điều hòa theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây:

-Tạo dao động b ng h i tiằ ồ ếp dương

-Tạo dao động bằng phương pháp tổng h p m ch ợ ạ

Ở đây ta chỉ nghiên c u m ch tứ ạ ạo dao động theo nguyên t c hắ ồi tiếp dương

2

1.1.2 Mạch dao động Colpitts

Máy tạo dao động Colpitts, được phát minh vào năm 1918 bởi kỹ sư người

Mỹ Edwin H Colpitts, là m t trong s các thi t k cho máy tộ ố ế ế ạo dao động LC, máy dao động điện tử sử dụng sự kết hợp của cuộn cảm (L) và tụ điện (C) để tạo ra dao

động tại m t tần s nhộ ố ất định

Cấu hình cơ bản c a B tủ ộ ạo dao động Colpitts gi ng v i B tố ớ ộ ạo dao động Hartley nhưng sự khác biệt là đầu ra được lấy ở điểm giao nhau của “bộ chia điện dung” thay vì cu n cảm loại biến áp t động có đầộ ự u nối như trong bộ dao động Hartley Mạch bình điều ch nh bao g m mỉ ồ ột m ch ph cạ ụ ộng hưởng LC được kết

n i gi a c c C và c c B c a b khuố ữ ự ự ủ ộ ếch đại bóng bán d n m t t ng t o ra d ng sóng ẫ ộ ầ ạ ạđầu ra hình sin

Sơ đồ khối hồi tiếp 3 điểm điện dung Mạch dao động Colpitts sử dụng mạng phân áp điện dung làm nguồn phản

h i c a nó Hai tồ ủ ụ điệ 𝐶n 1 và 𝐶2 được đặt trên một cuộn cảm chung duy nhất, L như hình vẽ Khi đó 𝐶1, 𝐶2 và L t o thành mạ ạch bình điều ch nh vỉ ới điều kiện để

có dao động là: 𝑋𝐶1+ 𝑋𝐶2= 𝑋𝐿

3

1.1.2.1 Ưu nhược điểm c a m ch Colpitủ ạ ts

B ng 1.1 Bả ảng ưu nhược điểm c a m ch Colpitts ủ ạ

1.1.2.2 Mạch dao động Colpitts và các công th c liên quan ứ

Hình 1.1 Ví d minh h a ụ ọ

4

Đầu c c E c a bóng bán dự ủ ẫn được kết n i vố ới đường giao nhau của hai t ụđiện, 𝐶1 và 𝐶2 được mắc n i tiếp và hoố ạt động như một bộ chia điện áp đơn giản Khi nguồn điện được đặt vào, tụ 𝐶1 và 𝐶2 được sạc và sau đó xả qua cuộn dây L Các dao động trên các tụ điện được áp dụng cho điểm giao nhau c a B-E và xuủ ất

hi n trong b khuệ ộ ếch đại ở u ra c c C đầ ự

Các điện trở, 𝑅1 và 𝑅 phân c c DC 2 ự ổn định cho bóng bán d n trong khi các ẫ

tụ điện b sung hoổ ạt động như mộ ụ điên bypass chặt t n DC M t cu n c m t n sộ ộ ả ầ ố

vô tuyến (RFC) được s d ng trong mử ụ ạch thu để cung cấp điện trở cao (lý tưởng là mạch hở) ở tần s ố dao động, (𝑓𝑟) và điện tr ở thấp ở DC để giúp bắt đầu dao động

T n sầ ố dao động c a m t bủ ộ ộ dao động Colpitts được xác định bởi tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng LC và được cho là:

• Thường được sử dụng cho các ứng dụng có liên quan đến dải tần số rất rộng

• Được s d ng cho các ng dử ụ ứ ụng trong đó các dao động không đượ ấc l y mẫu

và liên tục được mong muốn để hoạt động

• Bộ dao động này được ưu tiên trong các tình huống mà nó được thi t kế ế để chịu nhiệt độ cao và thấp thường xuyên

• Nó được sử dụng để phát triển điện thoại di động và liên lạc vô tuyến 1.1.3 Mục tiêu c a dủ ự án

Khảo sát l i lý thuy t v m ch tạ ế ề ạ ạo dao động t o sóng sin t n s cao và thạ ầ ố ực hành l p ráp các mắ ạch điện tử căn bản Qua đó giúp củng c ki n th c v lý thuyố ế ứ ề ết cũng như nâng cao kỹ năng thực hành, tích lũy thêm kinh nghiệm cho bản thân,

kh ả năng làm việc nhóm để phục vụ cho quá trình h c t p và công tác sau này ọ ậ

hi n ệ

• S d ng thành th o công c thi t k , ph n mử ụ ạ ụ ế ế ầ ềm mô ph ng mỏ ạch điện

• Tính toán các thông s k thu t theo yêu c u n i d ng cố ỹ ậ ầ ộ ụ ủa đề tài

• Biết cách thi t k m t m ch tế ế ộ ạ ạo dao động nói chung và m ch tạ ạo dao động

LO nói riêng

• Sau khi th c hiự ện đề tài ph i th c hiả ự ện được m ch mô ph ng trên phạ ỏ ần mềm, ph i n m v ng ki n th c v mả ắ ữ ế ứ ề ạch điệ ửn t

1.1.5 Phân công công vi c ệ

1 T ng h p n i dung và vi t báo cáo ổ ợ ộ ế Nguy n Bá B o ễ ả

3 Tóm t t n i dung GPS và m ch tắ ộ ạ ạo dao động

nói chung

Ngô Đoàn Duy Long

4 Tóm t t n i dung mắ ộ ạch dao động 3 điểm điện

dung (Colpitts)

Nguy n M nh Tùng ễ ạ

5 Thi t k m ch và tính toán thông s theo yêế ế ạ ố

cầu đầu ra

Nguy n Minh Hoàng ễ

B ng 1.2 Phân công công vi c ả ệ

3) 0, nghĩa là 𝐾ℎ𝑡 𝐾′> 1, biên độ điện áp tăng theo hàm số mũ

T ừ các trường hợp trên đây, ta có thể rút ra kết luận: để có dao động thì khi mới đóng mạch 𝐾ℎ𝑡 𝐾′ ph i lả ớn hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần cho đến khi b khuộ ếch đại chuy n sang làm viể ệc ở trạng thái bão hòa, hệ s khuếch đại ố

gi m d n sao cho ả ầ 𝐾ℎ𝑡 𝐾′= 1 Lúc này có dao động ra, nhưng không phải hình sin

Để có dao động điều hòa hình sin cần phải điều chỉnh hệ số khuếch đại sao cho

𝐾ℎ𝑡 𝐾′= 1 và xác l p tậ ại đó trước khi b khuộ ếch đại chuy n sang làm viể ệc ở trạng thái bão hòa

T sừ ự phân tích trên, ta rút ra các đặc điểm cơ bản sau đây của một mạch dao động:

Mạch tạo dao động cũng là một m ch khuạ ếch đại, nhưng là mạch khuếch đại

tự điều khi n b ng h i tiể ằ ồ ếp dương từ đầu ra và đầu vào Năng lượng tự dao động lấy t ngu n cung c p m t chi u ừ ồ ấ ộ ề

M ch ph i ch a ít nh t m t ph n t tích c c làm nhi m v biạ ả ứ ấ ộ ầ ử ự ệ ụ ến đổi năng lượng m t chiộ ều thành xoay chi u ề

M ch ph i ch a m t ph n t phi tuy n hay mạ ả ứ ộ ầ ử ế ột khâu điều chỉnh để đả m bảo cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác l p ậ (𝐾ℎ𝑡 𝐾′= 1)

2.2.2 Ổn định biên độ và t n s ầ ố dao động

2.2.2.1 Ổn định biên độ dao động

Khi mới đóng mạch, nếu điều ki n cân bệ ằng pha được th a mãn t i mỏ ạ ột t n sầ ố nào đó, đồng thời 𝐾ℎ𝑡 𝐾′> 1 thì trong mạch phát sinh dao động ở tần số đó Ta nói m ch ạ ở trạng thái quá độ Ở trạ ng thái xác lập, biên độ không đổi ứng với

𝐾ℎ𝑡 𝐾′= 1

Để đả m bảo ổn định biện độ ở trạng thái xác l p, có thậ ể thực hiện các biện pháp sau:

12

H n chạ ế biên độ điện áp b ng cách ch n tr sằ ọ ị ố điện áp ngu n cung c p mồ ấ ột chi u thích h p Biề ợ ết răng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung c p m t chi u cho ph n t ấ ộ ề ầ ửkhuếch đại đó

D ch chuyị ển điểm làm việc trên đặc tuy n phi tuy n c a ph n t tích cế ế ủ ầ ử ực

nh ờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khi n c a ph n t khuể ủ ầ ử ếch đại Dùng m ch h i ti p phi tuy n ho c dùng ph n tạ ồ ế ế ặ ầ ử hiệu ch nh, ví dỉ ụ điện trở nhiệt, điện tr thông cở ủa diot

Tùy thu c vào m ch liên c ộ ạ ụ thể có th áp d ng m t trong nh ng bi n pháp trên ể ụ ộ ữ ệKhi xét đến mạch cụ thể, ta s quan sát k ẽ ỹ hơn vấn đề này

Nói chung góc pha 𝜑𝑘 và 𝜑ℎ𝑡 ph thu c vào tham s các ph n t c a m ch ụ ộ ố ầ ử ủ ạ

và ph thu c t n sụ ộ ầ ố Đo đó có thể ế ại điề vi t l u ki n (2.10) m t cách tệ ộ ổng quát như sau:

13

- Thực hi n các bi n pháp nh m giệ ệ ằ ảm sự thay đổi tham s dm c a m ch ố ủ ạkhuếch đại đều ra t ng tầ ạo dao động:

𝑓 0 của các b tộ ạo dao động điều hòa có thể đạt được trong kho ng ả

10−2… 10−3 Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10−4

hoặc cao hơn, trong trường h p th ch anh có th ợ ạ ể đạt được ∆𝑓

𝑓 0≈ 10−6…10−8

2.3 Tổ ng quan v GPS ề

GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí dựa trên v trí ịcủa các vệ tinh nhân tạo, do B qu c phòng Hoa K thi t k , xây d ng, vộ ố ỳ ế ế ự ận hành

và qu n lý ả Ban đầu được dung trong mục đích quân sự nhưng sau những năm

1980 chính ph Hoa K cho phép s d ng GPS vào mủ ỳ ử ụ ục đích dân sự ở ph m vi ạtoàn c u ầ

Cơ chế hoạt động: Các v tinh GPS phát hai tín hi u vô tuy n công suệ ệ ế ất thấp d i L1 và L2 ả (dải L là ph n song c c ng n c a phầ ự ắ ủ ổ điện từ trả ội r ng t ừ0.39GHz đến 1.55GHz) GPS dân s dung t n s L1 1575.42 MHz trong d i UHF ự ầ ố ả

Tín hi u GPS: ệ Mỗi v tinh GPS th h ệ ế ệ II đều có mang theo hai loại đồng h ồnguyên tử để đưa thông tin thời gian vào trong tín hi u phát V tinh GPS s d ng ệ ệ ử ụtín hiệu đường xuống băng L và được chia thành hai băng con đó là L1 và L2 với tần s ố sóng mang tương ứng là f1 = 1575.42MHz dùng trong dân s và f2 = 1227.6 ựMHz dùng trong quân sự Vớ ầi t n số cơ sở f0 = 1.023MHz người ta t o ra các tạ ần

số sóng mang b ng các b nhân t n f1 = 1540f0, f2=1200f0 ằ ộ ầ

15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

3.1 Chọ n linh ki n m ệ ạch dao độ ng LO cho GPS

Để tạo mạch dao động này, ta dùng Transistor NPN MPS 5179 có các thông

số sau:

V = 10V; V = 6V; V = 0.8V; CC CE BE

IC = I =8.6mA; I = 100uA; beta = 86; E B

Hình 3.1 Sơ đồ m ch khuạ ếch đại Emitto chung dùng transistor 5179

− Chọn ểm làm ệc tĩnh Qđi vi 1(VCE, IC) = (2V; 8.6 mA , β = 86 và )

gm=8.6

25 = 0,334(S)

− Theo Kirchoff ta có:

≅ −5 (lần)

Chọn C = C = C = 100mF 1 2 3

Sau mô phỏng ta đo được Av=-4.75 l n ầ

Điều kiện c a mủ ạch dao động:

3.2 Mô ph ng mỏ ạch dao động LO cho GPS

3.2.1 Giới thiệu ph n m m ADS ầ ề

Advanced Design System (ADS) là một hệ thống phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử được sản xuất bởi Keysight EEsof EDA, một bộ phận của Keysight

18

Technologies Phiên bản này giới thiệu giải pháp mô phỏng DDR5 / LPDDR5 hàng đầu thế giới Luồng công việc của Trình thiết kế bộ nhớ đã được mở rộng đểbao gồm các tiêu chuẩn bộ nhớ mới nhất và trình giả lập DDR Bus đã được cải tiến

để xử lý các mô hình IBIS-AMI ở chế độ từng bit

Các tính năng của Keysight Advanced Design System (ADS)

• Hoàn thành và môi sơ đồ trường bố trí

• Mô phỏng hệ thống và mạch sáng tạo và công nghiệp hàng đầu

• Truy cập trực tiếp tự, nhiên vào máy bay 3D và bộ giải quyết trường EM 3D đầy đủ

• Số lượng lớn nhất của bộ dụng cụ thiết kế quy trình (PDK) được phát triển

và duy trì bởi các đối tác công nghiệp và xưởng đúc hàng đầu

• EDA và Thiết kế tích hợp dòng chảy với các công ty như Cadence, Mentor

Mô phỏng mạch tạo dao dộng Colpitts ở tần số 1.5 GHz cho GPS

Bước 1: Tạo một Workspace mới

• Vào File > New > Workspace

21

Bước 3: Lựa chọn R, L, C, BJT, DC_Source và thiết lập các thông số với các giá

trị tính toán được, ta vẽ được mạch sau:

22

• Các thông số thiết lập cho BJT NPN

23

• Cài đặt khoảng thời gian tín hiệu hiệu ra:

Start time : Thời gian bắt đầu;

Stop time : Thời gian kết thúc ;

Max time step: Khoảng cách bước lớn nhất

Bước 4: Chạy mô phỏng

• Chọn trên thanh công cụ để kiểm tra lỗi và chạy mô phỏng

24 3.2.3 K t qu mô ph ế ả ỏng

+ Trong từ 10 – 20ns đầu tiên tín hiệu chưa ổn định, biên độ tín hiệu ra tăng dần

25

+ Trong khoảng 32 – 42ns tín hiệu ra bắt đầu ổn định, sóng ra có hình Sin

+ Khi tín hiệu đã ổn định hay Av.B = 1, ta có chu kỳ: