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 1 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 2 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 các tần số khác nhau. Trong máy phân tích phổ , bộ trộn tần làm nhiệm vụ trộn sóng sin giữa tín hiệu đầu vào và tins hiệu LO để tạo ra tổng và hiệu của tín hiệu sóng sin thành phần. 1.Khái niệm về bộ trộn tần Bộ trộn tần (Mixer) trong máy phân tích phổ là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số khác nhau. Thành phần tín hiệu ở tần số cần đo RF được chuyển thành tần số IF cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết kế các bộ khuếch đại dễ dàng hơn. Bộ trộn tần gồm 3 cổng RF, LO, IF gồm các thiết bị tích cực hoặc thụ động. 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. 3 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 x t A t y t B t ω ω = = Vậy tín hiệu đầu ra IF là: 1 2 1 2 1 2 ( ). ( ) cos . os os( - )t+ os( )t 2 2 AB AB x t y t A t c t c c ω ω ω ω ω ω = = + (2.2) Tín hiệu được đưa vào từ hai cổng thường dùng các tín hiệu từ các máy phát dao động. Trong quá trình trộn, nếu ta lấy tần số đầu ra thấp hơn tần số đầu vào thì gọi là 4 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 chuyển đổi xuống tần số thấp; nếu ta lấy tần số đầu ra cao hơn tần số đầu vào thì được gọi là chuyển đổi lên tần số cao. Hình 1.3 - Bộ chuyển đổi xuống tần số thấp [3] 5 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Hình 1.4- Bộ chuyển đổi lên tần số cao [3] Bộ trộn tần là một thiết bị dịch tần số. Máy trộn tần số tạo ra tín hiệu có nhiều tần số không đúng với tần số cần lấy do đó 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 các loại bộ trộn (tích cực hoặc thụ động), phụ thuộc bởi số lượng các mạch đầu vào RF cũng trở 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. 6 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 loss của mixer sẽ bắt đầu tăng. Điểm nén 1dB là mức cường độ tín hiệu đầu vào mà ở đó conversion loss được tăng lên 1dB. Mixer cần được dự trữ từ mức điểm nén 1dB này để bảo 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 7 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Mạch trộn tần có thể thiết kế theo mô hình cân bằng đơn (single-balanced mixer) hay cân bằng kép (double-balanced mixer)sử dụng các phần tử phi tuyến như diode hay transistor 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. Mô hình trộn tần single-balanced mixer có sơ đồ đơn giản, có dải tần số rộng, linh kiện dễ tìm 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 có trở 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 số cao lên tới 3GHz. Điện áp cung cấp là 10VDC, dòng điện là 5A. 8 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 , được khởi tạo trong khối VAR. Khối VAR cũng khởi tạo biến IBB. Giá trị thực tế sử dụng cho VCE 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 vi hoạt động tương đối rộng. Bộ điều khiển DC có thể quét một biến duy nhất, IBB đuộc quét bằng ParamSweep, IBB được thiết lập từ 50uA đến 350uA. Hình 2.3 – Mô hình phân tích DC 9 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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 các điểm hoạt động của thiết bị. Trong sơ đồ mạch, VCC là 1VDC, IBB quét từ 1uA đến 10uAvà bước nhảy là 0.5uA. Các kết quả mô phỏng được thể hiện trong bảng[ ghi tên bảng ở dưới] , ta nhận thấy kết quả phù hợp với các thông số được chọn. 10 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 [...]... với trở kháng 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 thiết lập ngắn mạch ở IF ... 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 khi chưa 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 25 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Hình 2.19 – Sơ đồ mạch in của bộ trộn tần 500MHz Đánh giá :Kết quả... Hình 4.13 – Đồ thị độ suy giảm tại 1dB III.Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ trộn tần 18 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 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,... cho khoảng tần số mà ta đang khảo sát Trong khối vào của tín hiệu của LO và RF, IF đều kết hợp với tụ để chặn dòng một 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 đi qua Dải tần số làm việc của bộ trộn tần 500 MHz ÷1100 MHz Ta phải tính toán tần số cắt... được đặt sao cho thỏa mãn điều 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 ở tần số của tín hiệu ra và tín hiệu vào Theo tính toán của thanh công cụ LineCalc trong ADS kết hợp với việc tính toán lý thuyết ta có sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh 23 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Kết quả mô phỏng là : 24 | P a g e Ngô... với trở kháng của LIF bằng 50 ohm Cuối cùng ta được sơ đồ như hình 2.10 Hình 2.10 - Mạch nguyên lý bộ trộn tần đã phối hợp trở kháng (Hình 2.10) mô phỏng chuyển đổi của cho bộ trộn và xác định ảnh hưởng đến bộ trộn bởi các thành phần tín hiệu tại các cổng vào Kết quả mô phỏngPhổ tín hiệu đầu ra IF Tần số tại cổng ra fIF=fLO-fRF 16 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Hình 2.11 - Phổ Tín hiệu đầu... 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 Mục tiêu là mạng đầu vào sẽ được phối hợp với thiết bị có trở kháng 50Ω tại tần số RF 13 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 và biểu diễn ngắn mạch đối với tần số IF (để ngăn tạp âm từ đầu vào được khuếch đại và ảnh... 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, chiều dài của các đường dây dài, của các khối sẽ quyết định đến chất lượng của mạch Việc tính toán các giá trị sao cho hợp lý là phần rất quan trọng trong khi thiết kế Phần này em xin trình bày các bước tính toán xác định các thong số cho mạch trộn tần đã đề xuất trong hình 2.14... tần 500 MHz ÷1100 MHz Ta phải tính toán tần số cắt của mạch lọc thông cao này sao cho tín hiệu có tần số trong khoảng tần số khảo sát trên không bị cắt mất khi đi qua mạch lọc này Nghĩa là ta phải đặt giá trị của tần số cắt nhỏ hơn tần số nhỏ nhất của dải tần khảo sát, hay f c< 500 MHz Từ giá trị của tần số cắt này ta sẽ tính toán được điều kiện để lựa chọn giá trị cho tụ điện cũng như chiều dài và... tần số đang khảo sát và có giá trị theo điều kiện đã tính toán ở trên Sau khi tìm 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 và hướng mong muốn Thêm vào đó là các khối thoát cho tín hiệu cao tần, lỗ Via… Tất cả các khối này đều ảnh hưởng tới chất lượng, kết quả thiết kế . 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. không mong muốn PHẦN II.THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN SỐ 500MHz I .Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn 7 | P a g e Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793 Mạch trộn tần có thể thiết kế theo mô hình cân bằng. 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 các tần số khác nhau. Trong máy phân tích phổ , bộ trộn