thiết kế bộ trộn tần 500mhz

thiết kế bộ trộn tần 500mhz

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Đề tài:”Thiết kế bộ trộn tần 500MHz”

Sinh viên thực hiện:

Họ & Tên: Ngô Văn Đức SHSV : 20090793 Lớp : ĐK&TĐH 4-K54 Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Quốc Cường

MỤC LỤC

Trang

PHẦN I.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ……… …… ……3

1.Khái niệm về bộ trộn tần……… ……… …… ………3

2.Các tính chất quan trọng của bộ trộn tần……… ……… … 6

PHẦN II.THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN SỐ 500MHz……… 7

I.Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn……….7

1.Lựa chọn thiết bị cho bộ trộn tần………8

2.Mô hình DC của transistor……… 8

3.Khảo sát đặc tính của transistor………10

4.Thực hiện phối hợp trở kháng……… 12

II.Mô phỏng bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn……… 13

III.Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ trộn tần………18

IV.Tính toán các thông số cho bộ trộn tần………18

1.Tính toán giá trị tụ điện……….19

2.Tính toán giá trị của các khối TLM……… ………21

V Bộ trộn tần cân bằng đơn dùng BJT MMBR941……….23

Tài liệu tham khảo ………26

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đề tài: Thiết kế bộ trộn tần 500MHz

Hình 1.1- Nguyên lý bộ trộn tần số [1]

Bộ trộn tần là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa cáctần số khác nhau Trong máy phân tích phổ , bộ trộn tần làm nhiệm vụ trộn sóng sin giữatín hiệu đầu vào và tins hiệu LO để tạo ra tổng và hiệu của tín hiệu sóng sin thành phần

Bộ trộn tần thường được thực hiện bằng cách nhân hai tín hiệu ở các tần số khác nhau

để thực hiện chuyển đổi tần số

Hình 1.1- Bộ trộn tần số [2]

Với hai tín hiệu đầu vào bộ Mixer x(t), y(t) được biểu diễn theo công thức (2.1)

1 2

( ) cos

(2.1)( ) cos

ωω

chuyển đổi xuống tần số thấp; nếu ta lấy tần số đầu ra cao hơn tần số đầu vào thì đượcgọi là chuyển đổi lên tần số cao.

Hình 1.3 - Bộ chuyển đổi xuống tần số thấp[3]

Hình 1.4- Bộ chuyển đổi lên tần số cao[3]

 Bộ trộn tần là một thiết bị dịch tần số

cần sử dụng mạch lọc thông dải loại bỏ các tần số không mong muốn

2.Các tính chất quan trọng của bộ trộn tần

- Conversion loss- làm giảm đặc tính của nhiễu

- Conversion gain or loss:là tỉ số giữa mức tín hiệu đầu ra so với mức tín hiệu đầu

vào( thường tính bằng dB) ứng với một mức công suất đầu vào LO, phụ thuộc bởi cácloại bộ trộn (tích cực hoặc thụ động), phụ thuộc bởi số lượng các mạch đầu vào RF cũngtrở kháng đầu ra tại cổng IF , và cũng phụ thuộc LO

Conversion gain or loss của một bộ trộn tích cực là khoảng 10 dB, còn đối với Diode

là khoảng-6dB

Hình 1.5 – Nhiễu qua bộ trộn tần[3]

- Điểm nén 1db: Đối với các mức tín hiệu đầu vào nhỏ Cường độ đầu ra tăng tuyến tính

theo cường độ tín hiệu vào Khi cường độ tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng, conversion losscủa mixer sẽ bắt đầu tăng Điểm nén 1dB là mức cường độ tín hiệu đầu vào mà ở đóconversion loss được tăng lên 1dB Mixer cần được dự trữ từ mức điểm nén 1dB này đểbảo đảm tránh nguy cơ xuất hiện thêm các thành phần đầu ra không mong muốn

PHẦN II.THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN SỐ 500MHz

I.Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn

Mạch trộn tần có thể thiết kế theo mô hình cân bằng đơn (single-balanced mixer) haycân bằng kép (double-balanced mixer)sử dụng các phần tử phi tuyến như diode haytransistor hoặc các phần tử tuyến tính tham số như Gilbert cell Tuy nhiên, do thời gian,

và điều kiện làm việc, chúng em chọn mô hình single-balanced mixersử dụng BJT Môhình trộn tần single-balanced mixer có sơ đồ đơn giản, có dải tần số rộng, linh kiện dễtìm trên thị trường Việt Nam

Hình 2.1-Mô hình bộ trộn tần cân bằng đơn [4]

Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn sử dụng BJT Có dải tần số làm việc rộng, lên đến 3GHz, 2 cổng tín hiệu cùng vào 1 cổng Sụt hao chuyển đổi khoảng 10 dB Nguồn cung cấp là điện áp 1 chiều khoảng 1VDC có 600mA Các đầu vào của thiết bị cótrở kháng là 50 ohm, có cách ly bằng tụ điện nhằm chống nhiễu

1.Lựa chọn thiết bị cho bộ trộn tần

Một trong những bước đầu tiên trong quá trình thiết kế là chọn thiết bị Trong phạm

vi đồ án này em chọn BJT MMBR941 Motorola, đây là 1 bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT)theo tiêu chuẩn SOT-23[*] Các thiết bị lựa chọn có hiệu suất đáp ứng đủ cho thiết kế này,chi phí thấp, có mô hình khá chính xác và có sẵn Vì vậy MMBR941 là một lựa chọn tốt

Mô hình thiết bị được lấy từ mô hình của Gummel-Poon có các thông số của Motorola[reference]

BJT MMBR941 là transistor có hệ số tạp âm thấp, được sử dụng ở dải tần rông, tần sốcao lên tới 3GHz Điện áp cung cấp là 10VDC, dòng điện là 5A

Hình2.3 - Những thông số cơ bản của MMBR941

2.Mô hình DC của transistor

Ta thiết lập tham số phân tích DC Điên áp DC được thiết lập là một biến,VCE , đượckhởi tạo trong khối VAR Khối VAR cũng khởi tạo biến IBB Giá trị thực tế sử dụng choVCE được xác định trong khối điều khiển mô phỏng DC(DC1)

Ta thiết lập các thông số mô phỏng : VCE quét từ 0v đến 6V, mô hình có phạm vihoạt động tương đối rộng Bộ điều khiển DC có thể quét một biến duy nhất, IBB đuộcquét bằng ParamSweep, IBB được thiết lập từ 50uA đến 350uA

Hình 2.3 – Mô hình phân tích DC

Kết quả mô phỏng:

Hình 2.4 - Kết quả mô phỏng phân tích DC

Kết quả mô phỏng cho thấy VCE=1V, ICE< 0.6mA

3.Khảo sát đặc tính của transistor

Trong sơ đồ mạch (hình 2.5) sử dụng các khối DC_Feed và DC_Block và khối Term

có trở kháng là 50 ohm để mô phỏng đặc tính của thiết bị Ta tính toán điện trở tại cácđiểm hoạt động của thiết bị Trong sơ đồ mạch, VCC là 1VDC, IBB quét từ 1uA đến10uAvà bước nhảy là 0.5uA Các kết quả mô phỏng được thể hiện trong bảng[ ghi tênbảng ở dưới] , ta nhận thấy kết quả phù hợp với các thông số được chọn

Hình 2.5– Khảo sát đặc tính transistor

Kết quả mô phỏng được biểu diễn trong các bảng sau:

Kết quả : Chọn IBB = 5uA; ICC=500uA và Rb = 8424.296 Ohm, Rc = 481.125 Ohm chọngiá trị gần nhất thì Rb = 8.4kOhm, Rc = 480 Ohm

4.Khảo sát thiết bị với tín hiệu lớn.

Hình 2.5-Khảo sát thiết bị với tín hiệu lớn

Sử dụng Harmonic Balance trong ADS agilent để thực hiện tăng công suất tín hiệuđầu vào(dBm) từ thấp (chế độ tín hiệu nhỏ) cho đến khi đạt đến trạng thái bão hòa để xácđịnh điểm nén 1db Công suất của tín hiệu đầu ra được tính như sau:

PwrOut= dBm(HB.Vout[1]) với HB.Vout[1] là thành phần tần số cơ bản 500MHz

Độ khuếch đại đầu ra được tính như sau:

Gain=compression.HB2.HB.PwrOut-compression.HB2.HB2.HB.PwrIn

Trong sơ đồ mạch(hình 2.5) ta quét các mức công suất đầu vào từ thấp đến cao.Biến nănglượng đầu vào là "PwrIn" được quét từ -50 đến-5dBm Ta có "HB.Vout [1]",xác định cáctần số cơ bản

Hình 2.6-khảo sát khuếch đại đầu ra của transistor

công suất vào tương ứng (dBm) tại điểm nén 1dB, ta cũng thu được kết quả tương tự

4.Thực hiện phối hợp trở kháng

Một bước quan trọng trong thiết kế bộ trộn là việc xác định trở kháng ở mỗi cổng

và biểu diễn ngắn mạch đối với tần số IF (để ngăn tạp âm từ đầu vào được khuếch đại vàảnh hưởng đến tín hiệu IF ở đầu ra) Tương tự như vậy, mạng đầu ra phối hợp với trởkháng tải 50 Ω tại tần số IF và biểu diễn ngăn mạch tại tần số RF Như vậy, với mỗi tần

số khác nhau của tín hiệu tại cổng vào thì tại cổng ra của thiết bị là hoàn toàn khác nhau

II.Mô phỏng bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn.

Hình 2.7- Mạch nguyên lý bộ trộn tần chưa phối hợp trở kháng Thành phần Z1P_Eqn được định nghĩa trong khối VAR Ở đầu vào, ZIN, được thiếtlập ngắn mạch ở IF Tương tự như vậy, zout được thiết lập ngắn mạch tại RF Nguồn

LO có trở kháng là 50 Ω và được cách ly bằng một tụ0.5pF

Kết quả mô phỏng bằng S-parameters tại RFcó trở kháng đầu vào là (11.5-j39.45) ΩKhi ngắn mạch tại IF Tại IF, trở kháng đầu ra là (2064.5-j*2010.5) Ω

Hình 2.8- Thể hiện trở kháng đầu vào của mạch

Kết quả trở kháng đầu vào RF là (11.5-j39.45) Ω và trở kháng đầu ra IF là j*2010.5)

(2064.5-Ta sử dụng công cụ Smith Chart Utility của ADS tính toán phối hợp trở kháng

CRF = 105 pF

LRF = 3.85 nH

Hình 2.9-Phối hợp trở kháng RF

 Phối hợp trở kháng IF ( tương tự RF)

CIF=7.78pF

LIF= 1350nH

Thay thế L song song bằng một mạch LC song song tương đương Giá trị Giá trị của

tụ điện đủ lớn để bảo đảm ngắn mạch với tín hiệu RF Chọn L = 200 nH và C = 47 pF.Khi đó, trở kháng tương đương của mạch LC bằng với trở kháng của LIF bằng 50 ohm.Cuối cùng ta được sơ đồ như hình 2.10

Hình 2.11 - Phổ Tín hiệu đầu ra IF

 Gain

Khi giữ cố định PRF=50 dBm, ta sẽ thu được Conv Gain =-30.191

Giữ cố định PRF = -10dBm, thay đổi giá trị PLO và tìm giá trị cường độ tín hiệu đầuvào mà độ khuếch đại giảm 1dB Ta được tại điểm nén 1dB, giá trị cường độ tín hiệu đầuvào khoảng PLO là -21 dBm.

Hình 2.12 – Độ khuếch đại giảm 1dB tại PRF = -10 dBm

Hình 4.13 – Đồ thị độ suy giảm tại 1dB

III.Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ trộn tần

Sau khi hoàn thành phần thiết kế nguyên lý, cho kết quả phù hợp với yêu cầu đồ án,

em tiến hành thiết kế mạch in cho mạch nguyên lý

Dưới đây là mạch nguyên lý hoàn chỉnh

Hình 2.14 - Mạch nguyên lý hoàn chỉnh của bộ trộn tần

Trong mô hình trên, mỗi đường mạch em thay thế bằng khối MLIN, chúng đại diện chođương dây dài của mỗi đường mạch

IV.Tính toán các thông số cho bộ trộn tần.

Các giá trị của các linh kiện trong mạch ở hình 2.14 cũng như giá trị về độ rộng, chiềudài của các đường dây dài, của các khối sẽ quyết định đến chất lượng của mạch Việc tínhtoán các giá trị sao cho hợp lý là phần rất quan trọng trong khi thiết kế Phần này em xintrình bày các bước tính toán xác định các thong số cho mạch trộn tần đã đề xuất tronghình 2.14

Giá trị của tụ điện sẽ được tính để tạo dải thông đủ rộng cho khoảng tần số mà ta đangkhảo sát Trong khối vào của tín hiệu của LO và RF, IF đều kết hợp với tụ để chặn dòngmột chiều thì ta có cấu trúc mạch tương đương với mạch lọc thông cao.

Hình 2.14 – đường mạch đưa tín hiệu vào và ra

Mạch lọc thông cao có tác dụng cho tín hiệu tần số cao hơn tần số cắt của mạch lọc điqua Dải tần số làm việc của bộ trộn tần 500 MHz ÷1100 MHz Ta phải tính toán tần sốcắt của mạch lọc thông cao này sao cho tín hiệu có tần số trong khoảng tần số khảo sáttrên không bị cắt mất khi đi qua mạch lọc này Nghĩa là ta phải đặt giá trị của tần số cắtnhỏ hơn tần số nhỏ nhất của dải tần khảo sát, hay fc< 500 MHz Từ giá trị của tần số cắtnày ta sẽ tính toán được điều kiện để lựa chọn giá trị cho tụ điện cũng như chiều dài và

độ rộng của đường dây dài TL 8 và TL7 ; TL9 và TL 10 ; Tl13 và TL 14 tương ứng.Đầu tiên ta phải tính toán hai thông số cơ bản thể hiện cho đường dây dài Mỗi đườngdây thường được biểu diễn như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.15 – Sơ đồ mạch tương đương của đường dây dài[4]

Với trường hợp không tổn hao – Lossline thì đường dây chỉ còn hai giá trị là L’ và C’.

Ta chọn tính với trường hợp Lossline để sau đó có thể dùng phần mềm ADS để tính toánvới đường dây thực Ta có các công thức để tính toán cho hai giá trị này như sau:

Từ đó, thay giá trị ngược vào các công thức từ dưới lên trên ta sẽ tính toán được giátrị của hai thành phần cơ bản của đường dây

Trong trường hợp này, ta chọn trở kháng là Z0= 50Ω để hòa hợp trở kháng giữa cácđường mạch với 2 port vào ra Và ta có ɛr=4.3 nên ta suy ra được

Từ → w=s*h = 1.9415 * 1.6mm = 3.1mm

Từ đó ta tính được hai thông số cơ bản của đường dây :

Với chiều dài của đường dây ta chọn là l= 4mm và độ rộng của đường dây ta tínhđược ở trên là w=3.1mm Từ đó ta có

Từ giá trị của thành phần cảm kháng này ta tính được giới hạn giá trị của tụ điện theocông thức tần số cắt của mạch lọc dưới đây :

Giờ ta sẽ tìm khoảng giá trị của tụ điện C0 này Ta có

Với 

Mà  (với là tần số nhỏ nhất trong dải tần số khảo sát – 500MHz)

Từ đó ta tính được :

Vậy, ta sẽ chọn giá trị của tụ điện lớn hơn giá trị 84.43 pF Trong trường hợp này,phải tìm hiểu các giá trị tụ điện của linh kiện thực tế để chọn được tụ có thể làm việcđược ở dải tần số đang khảo sát và có giá trị theo điều kiện đã tính toán ở trên Sau khitìm hiểu và xem xét thì ta lựa chọn dùng con tụ có giá trị 100 pF.

2.Tính toán giá trị của các khối TLM

Trong mạch sử dụng nhiều khối có tác dụng bẻ cong đường mạch theo những góc vàhướng mong muốn Thêm vào đó là các khối thoát cho tín hiệu cao tần, lỗ Via… Tất cảcác khối này đều ảnh hưởng tới chất lượng, kết quả thiết kế Việc lựa chọn, đặt các giá trịcho các khối này cũng cần được xem xét để tạo một kết quả tốt nhất

Đầu tiên là khối MTEE (Microstrip T – Junction) Ta có hình vẽ vật lý của khối nhưdưới đây :

Hình 2.16 – Hình vẽ của khối MTEE

Mỗi khối MTEE sẽ có chân Ba chân này sẽ kết nối với 3 phần mạch ở bên ngoài.Điều kiện khi đặt độ rộng cho 3 chân này là độ rộng của chân lớn nhất không vượt quá 5lần độ rộng của chân nhỏ nhất

Độ rộng của 3 chân của mỗi khối MTEE được đặt dựa trên các nguyên tắc sau : Chânnào nối với đường dây dài nào thì sẽ được đặt độ rộng bằng với độ rộng của đường dâydài ấy

Khối thứ 2 là các khối MCURVE (Microstrip Curved Bend).Ta có hình vẽ mô tả kýhiệu và các thông số của khối này:

Hình 2.17 – Các thông số của khối Mcurve

Trong đó, góc được lựa chọn trong khoảng từ -1800 1800.Trong bản thiết kế này, taluôn đặt góc quay này bằng 90 độ.W là độ rộng của lớp vật dẫn.Còn radius là bán kínhquay Điều kiện ràng buộc giữa bán kính quay r và độ rộng w là:

Các khối Mcurve này được lựa chọn các thông số theo nguyên tắc như sau: góc quayđược đặt ở 90 độ Độ rộng của lớp vật dẫn được đặt bằng với độ rộng của đường dây dàitương ứng mà nó nối tới Còn giá trị của bán kính quay thì được đặt sao cho thỏa mãnđiều kiện

V Bộ trộn tần cân bằng đơn dùng BJT MMBR941

Về cấu trúc của các bộ trộn tần trong máy phân tích phổ đều giống nhau Chỉ khác ởtần số của tín hiệu ra và tín hiệu vào Theo tính toán của thanh công cụ LineCalc trongADS kết hợp với việc tính toán lý thuyết ta có sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh

Kết quả mô phỏng là :

Hình 2.18 – Mô hình nguyên lý bộ trôn tần và kết quả mô phỏng

Nhận xét : Ta thấy đầu ra bị suy hao khoảng 13 dBm So với kết quả mô phỏng khichưa tính toán đường dây dài , ta nhận thấy kết quả thu được gần giống nhau

Ta sử dụng tính năng Layout của ADS Với các thư viện có sẵn trong phần mềm thiết

kế Sơ đồ mạch Layout

Hình 2.19 – Sơ đồ mạch in của bộ trộn tần 500MHz

Đánh giá :Kết quả mô phỏng phần lý thuyết gần giống với kết quả bằng cách sử dụng

các linh kiện không lý tưởng.Tổn hao chuyển đổi đã giảm đáng kể, chủ yếu là do nhữngtổn thất điện trở trong các cuộn cảm Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm kết quả bộ trộntần theo nghiên cứu lý thuyết

-o0o -TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Agilent Company, “Spectrum Analysis Basics”, Application Note 150

[2] Hewlett-Packard Company, “Spectrum Analysis Basics”, Application Note 150 (HP

publication number 5952-0292, November 1, 1989)

[3] Iulian Rosu, “RF Mixers” –

(http://www.qsl.net/va3iul/RF%20Mixers/RF_Mixers.pdf)

[4] J A G Malherbe,“Microwave Transmission Line Couplers”, Artech House,1988