BÀI 3 – PHẦN 1KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TUYẾN TÍNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN1.CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM: 1.1.Mô hình mạch khuếch đại: Mô hình tổng quát của một mạch khuếch đại siêu cao tần: phần tử khuếch đại có ma trận đặc tính S, là một mạng 2 cửa: cửa 1 và cửa 2, có sóng tới và sóng về tương ứng là a1, b1 và a2, b2. Việc thiết kế và phân tích mạch thường phải dựa trên mô hình tán xạ S. Chú ý các nội dung chính sau: •Hệ số truyền đạt công suất •Phối hợp trở kháng vào ra của mạch khuếch đại •Sự ổn định của mạch khuếch đại •Phân cực DC •Mô hình transistor đơn hướng •Nhiễu trong mạch khuếch đại siêu cao tần1.2.Thiết bị sử dụng trong việc đoMáy đo ZVB8 Module khuếch đại siêu cao tần (AMP) Module AMP1Module AMP2Sơ đồ kết nối: •1: port 1 máy đo ZVB8 nối với port in module AMP•2: module AMP •3: port out module AMP •4: bộ suy giảm 20dB •5: port 2 máy đo ZVB8 •6: nối với nguồn DC 1.3.Câu hỏi chuẩn bịCâu 1. Cho biết ý nghĩa của hệ số truyền đạt ?Hệ số truyền đạt : Trong đó, lần lượt là công suất tín hiệu tiêu thụ trên tải và công suất tín hiệu tối đa nguồn có thể cung cấp (công suất thực đến ngõ vào cửa 1 khi phối hợp trở kháng nguồn và trở nhìn vào cửa 1). phụ thuộc vào và , đặc biệt là – hệ số truyền đạt công suất riêng của phần tử khuếch đại.Khi thì : chỉ phụ thuộc vào phần tử khuếch đại.Khi hoặc khác thì có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn , nó còn phụ thuộc vào . Điều đó cho thấy tầm quan trọng của phối hợp trở kháng đầu vào.
NHÓM 3 NGUYỄN DUY TÂN HỒ PHÚ THÁI NGUYỄN PHÚC THIỆN HỒ QUỐC TÍN HƯỚNG DẪN Thầy HOÀNG MẠNH HÀ BÀI 3 – PHẦN 1 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TUYẾN TÍNH MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN 1. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM: 1.1. Mô hình mạch khuếch đại: Mô hình tổng quát của một mạch khuếch đại siêu cao tần: phần tử khuếch đại có ma trận đặc tính [S], là một mạng 2 cửa: cửa 1 và cửa 2, có sóng tới và sóng về tương ứng là a1, b1 và a2, b2. Việc thiết kế và phân tích mạch thường phải dựa trên mô hình tán xạ [S]. Chú ý các nội dung chính sau: • Hệ số truyền đạt công suất • Phối hợp trở kháng vào ra của mạch khuếch đại • Sự ổn định của mạch khuếch đại • Phân cực DC • Mô hình transistor đơn hướng • Nhiễu trong mạch khuếch đại siêu cao tần 1.2. Thiết bị sử dụng trong việc đo Máy đo ZVB8 1 Module khuếch đại siêu cao tần (AMP) Module AMP1 Module AMP2 Sơ đồ kết nối: 2 • 1: port 1 máy đo ZVB8 nối với port in module AMP • 2: module AMP • 3: port out module AMP • 4: bộ suy giảm 20dB • 5: port 2 máy đo ZVB8 • 6: nối với nguồn DC 1.3. Câu hỏi chuẩn bị Câu 1. Cho biết ý nghĩa của hệ số truyền đạt ? Hệ số truyền đạt : Trong đó, lần lượt là công suất tín hiệu tiêu thụ trên tải và công suất tín hiệu tối đa nguồn có thể cung cấp (công suất thực đến ngõ vào cửa 1 khi phối hợp trở kháng nguồn và trở nhìn vào cửa 1). phụ thuộc vào và , đặc biệt là – hệ số truyền đạt công suất riêng của phần tử khuếch đại. 3 Khi thì : chỉ phụ thuộc vào phần tử khuếch đại. Khi hoặc khác thì có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn , nó còn phụ thuộc vào . Điều đó cho thấy tầm quan trọng của phối hợp trở kháng đầu vào. Câu 2. Các cách phân cực DC và những đặc điểm của chúng? Các cách phân cực chủ yếu để đạt được ổn định nhiệt với chỉ một áp nguồn cung cấp là: • Base-biased emitter feedback • Voltage-divider emitter feedback • Collector-feedback • Diode feedback • Active-feedback bias Tất cả đều được dùng để phân cực thiết bị lớp A, AB. Transistor lớp B, C dùng một số phương pháp khác. Base-biased emitter feedback: điện trở cực nền, áp Vbe 0.7V và điện trở cực emitter nối tiếp nhau. Áp trên điện trở R E là V E càng lớn thì bộ khuếch đại càng ổn định, nhưng năng lượng sẽ hao phí trên R E , độ lợi tín hiệu AC cũng giảm nếu không sử dụng tụ bypass. Giá trị chuẩn của V E cho các thiết kế HF (hoặc amateur band) là từ 2 đến 4V để đạt được sự ổn định của . Khuếch đại UHF và các dải tần cao hơn thường tránh dùng các điện trở emitter. Để đạt được sự bù nhiệt độ, người ta sử dụng phương pháp Bù Nhiệt Diode (Diode Temperature Compensation). Hai diode D1 và D2 sẽ theo dõi nhiệt độ bộ khuếch đại. 4 Diode sẽ giảm điện trở nội, từ đó làm giảm áp thuận trên nó, tù đó làm giảm áp Vbe và dòng gây ra do chuyển động nhiệt. Collector-feedback bias: rẻ hơn nhưng ổn định nhiệt độ kém hơn. Đối với transistors lưỡng cực, bộ khuếch đại lớp C dùng 3 kỹ thuật: • Phân cực tín hiệu • Phân cực ngoài • Tự phân cực Phân cực tín hiệu: 5 Transistor lớp C không cần phân cực nền, nhưng cần nối đất thông qua RFC để tăng sự ổn định công suất. Phân cực ngoài: Sử dụng nguồn phân cực DC âm và một nguồn áp dương cung cấp cho collector. Cuộn RFC có trở kháng cáo để ngăn dòng xoay chiều ảnh hưởng đến tín hiệu. Highly Stable Active Bias for High Frequency Amplifiers: dùng current mirror. 6 Bias Circuit using supply regulator Các ưu điểm của mạch phân cực trên: • Trở kháng nguồn thấp, giá thành phải chăng • Áp phân cực độc lập với áp nguồn cung cấp • Bù nhiệt dễ thực hiện trên mạch này. Active Voltage-Feedback Bias Cách mắc phân cực dưới đây dùng hai transistor NPN và PNP hồi tiếp từ collector về cực nền Q1. Source bias, a form of self bias for FET 7 FET Active Feedback bias Câu 3. Chức năng của thiết bị ZVB8 trong việc đo các thông số tuyến tính của mạch khuếch đại? Máy ZVB8 có thể đo được các thông số ma trận S của mạng khuếch đại (và các mạng nhiều cửa) theo tần số và biểu diễn hệ số phản xạ công suất trên đồ thị Smith, từ đó suy được khoảng tần số làm việc của mạch khuếch đại, sự ổn định và các thông số liên quan. Câu 4. Các thông số cho phép cực đại tại các test port của ZVB8 là những thông số nào, giá trị bao nhiêu? Có ý nghĩa gì? Các biện pháp bảo đảm an toàn cho thiết bị đo? Công suất tối đa: 40dB. Đây là công suất cực đại của tín hiệu vào được phép. Biện pháp đảm bảo an toàn cho thiết bị đo: • Mang vòng tĩnh điện để giảm tĩnh điện ở tay. • Sử dụng bộ suy giảm 20dB để giảm công suất tín hiệu ở port in. • Tăng dần công suất của máy phát. Dừng tăng công suất nếu công suất đầu vào gần đạt ngưỡng. Câu 5. Công dụng và ảnh hưởng của bộ suy giảm trong việc thực hiện đo các thông số tán xạ S dùng ZVB8? 8 Công dụng của bộ suy giảm: • Sử dụng bộ suy giảm 20dB để giảm công suất tín hiệu ở port in thiết bị, giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị. Ảnh hưởng của bộ suy giảm: • Công suất tín hiệu vào bị suy hao 20dB, do đó khi xác định giá trị thực phải lấy giá trị máy đo cộng thêm 20dB. 2. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 2.1. Chuẩn bị trước khi thí nghiệm Chuẩn bị module cần đo là module AMP, nguồn phát DC, đồng hồ VOM, bộ suy hao 20dB, đeo vòng khử tĩnh điện vào tay khi tháo lắp cáp. Làm sạch các đầu port nếu cần, vì có thể bụi bẩn sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo. Module mạch AMP sẽ dùng để thực hiện thí nghiệm: Module AMP1 Module AMP2 2.2. Tiến trình thí nghiệm đối với module AMP1 Bước 1: Thực hiện quá trình calibration trước khi đo đạc Bước 2: Tiến hành cấp nguồn DC cho module Bước 3: Kiểm tra ảnh hưởng của nguồn DC lên các port in, out của module AMP Điện áp DC port in: 0VDC Điện áp DC port out: 0VDC Vậy không có DC ở các công của AMP. Bước 4: Gắn bộ suy hao 20dB vào port out module AMP. 9 Bước 5: Gắn port 1 máy đo ZVB8 vào port in module AMP, port 2 vào port out của bộ suy hao. Xem hình: Bước 6: Khởi động máy đo ZVB8, ban đầu ta thấy có 1 đường trace hiển thị S11, để đo S21 ta nhấn MEAS > S21 Bước 7: Thực hiện scale cho trace Bước 8: Để quan sát được tần số hoạt động tốt nhất của thiết bị, ta dựa vào tần số mà tại đó hệ số truyền đạt S21 là lớn nhất. Sử dụng marker, nhấn MARKER > MARKER1, tiếp tục nhấn SEARCH > MAX SEARCH Thực hiện phép đo ta thu được các kết quả: Hệ số 10 [...]... đặc tuyến mạch khuếch đại không tuyến tính, các thành phần tần số nào có thể xuất hiện ở tín hiệu ngõ ra, nếu tín hiệu vào có hai thành phần tần số 2.49GHz và 2.51GHz? 19 Thành phần Intermodulation Component (IM) cơ bản: f1 = 2.49GHz, f2 = 2.51GHz IM2: IM3: IM4: IM5: Ta khảo sát Ta khảo sát Câu 5 Các thông số quan trọng thể hiện tính phi tuyến của mạch khuếch đại là gì? Ý nghĩa của chúng? a Các. .. dụng các thiết bị sẽ sử dụng cho bài thí nghiệm này bao gồm: • • Máy phân tích phổ FSP - SPECTRUM ANALYZER Máy phát tín hiệu SMJ100A – Vector signal generator Sinh viên tìm hiểu kỹ về các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến của mạch khuếch đại siêu cao tần: • • • • Sự méo dạng tín hiệu khi qua mạch khuếch đại Đặc tuyến vào, ra của mạch khuếch đại Phương pháp đo thông số phi tuyến mạch khuếch đại sử... Pin Xác định tất cả các thông số (có thể) của bộ khuếch đại dựa vào các dữ liệu đo được, và rút ra các nhận xét về tính phi tuyến bộ khuếch đại Trả lời Các hài phụ xuất hiện khi bộ khuyếch đại hoạt động phi tuyến 26 Đồ thị IM1 (đường f1), IM3 (đường f2) và IM5 (đường f3) Các thông số bộ khuyếch đại: - Dải động: 20dBm - Điểm gãy 1dB: - Khi bộ khuyếch đại nằm trong vùng phi tuyến thì các hài phụ xuất hiện... truyền đạt công suất của phần tử khuếch đại: Tần số làm việc: 270.8MHz đến 1.95GHz 14 Hệ số S12 Đồ thị Smith S11 và S22 theo thứ tự: 15 Cổng 1 phối hợp trở kháng chưa tốt do không có quá trình calibration Cổng 2 phối hợp trở kháng tốt 16 3 Kết luận Module AMP có độ khuyếch đại khoảng 20dB ở tần số 2.5GHz BÀI 3 – PHẦN 2 KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ PHI TUYẾN MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN 1 CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM Sinh... ANALYZER nối với nguồn DC Câu hỏi chuẩn bị Câu 1 Công dụng của các thiết bị: SMJ100A, FSP trong việc đo các thông số phi tuyến của mạch khuếch đại? • • SMJ100A: máy phát tín hiệu FSP: máy phân tích phổ tần Câu 2 Các thông số cho phép cực đại tại các test port của FSP-Spectrum analizer là những thông số nào, giá trị bao nhiêu? Có ý nghĩa gì? Các biện pháp bảo đảm an toàn cho thiết bị đo? • • • • Chạm tay... vào, ra của mạch khuếch đại Phương pháp đo thông số phi tuyến mạch khuếch đại sử dụng một tone và hai tone Các thông số thể hiện đặc tính phi tuyến của mạch khuếch đại siêu cao tần Thiết bị sử dụng trong việc đo 17 FSP - SPECTRUM ANALYZER SMJ100A – Vector signal generator Module khuếch đại siêu cao tần (AMP) Sơ đồ kết nối 18 • • • • • • 1: 2: 3: 4: 5: 6: Ngõ ra SMJ100A nối với port in module AMP module...Tại tần số 120MHz, Hệ số truyền đạt công suất của phần tử khuếch đại: Khoảng tần số làm việc: [40, 320] MHz Hệ số Tại điểm MARKER 1 ở trên thì Nhận xét: sóng phản xạ rất ít Hệ số định hướng: Đồ thị Smith 11 Ta sử dụng đồ thị Smith để quan sát các thông số đặt trưng S11 và S22, đề xem sự phối hợp trở kháng ở 2 cửa vào ra Để quan sát bằng Smith, nhấn FORMAT > Smith Đồ... 1: Thiết lập các thông số ban đầu cho các thiết bị đo như sau: Bước 2: Xác định độ suy hao của cáp: Quan sát trên FSP, xác định giá trị của vạch phổ ở tần số 2.5GHz So sánh với công suất phát từ SMJ100A? Giải thích? 21 Trả lời: Cable 1 Công suất phát -20dBm Phổ công suất tại tần số 2.5GHz là -45dBm Suy ra độ suy hao của cable là -25dBm Cable 2 Cùng công suất phát, phổ công suất tại tần số 2.5GHz là... Component bậc cao (IM2, IM3, IM4, IM5) Tính phi tuyến của bộ lọc có thể được đo dựa theo phổ của các thành phần này Uớc lượng sự thay đổi biên độ (dB) của IM theo thành phần cơ bản cho biết bậc phi tuyến của bộ lọc b Điểm gãy 1dB của đồ thị công suất đầu ra bộ khuếch đại khi công suất đầu vào tăng tuyến tính Điểm gãy cho biết ngưỡng của công suất vào mà tại đó, công suất ra bắt đầu bão hòa c Các giao điểm... trị các cột xấp xỉ nhau Có sự chênh lệch là do sai số trong quá trình đo Tháo hai đầu cáp khỏi module AMP 2.3 Tiến trình thí nghiệm đo hai tone Bước 1: Thiết lập các thông số cho các thiết bị SMJ100A như sau: Bước 2: Quan sát phổ công suất của tín hiệu hai tone trên FSP: Kết nối trực tiếp ngõ ra SMJ100A và ngõ vào FSP qua hai sợi cáp và một bộ nối (female – female SMA) 23 Quan sát trên FSP, xác định tần