Nghiên cứu đề xuất bộ dao động nội cho máy thu tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Vinasat - 1

AGC Automatic Gain control Tự động điều chỉnh độ lợi CCO Crossed-Capacitor Oscillator Bộ dao động tụ điện nối chéo DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếp EPG Electroni

  

Nguyễn Thị Thảo

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU

TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

  

Nguyễn Thị Thảo

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU

TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Bùi Trung Hiếu

Chương 1: Giới thiệu……… ……… 3

1.1 Khái quát hệ thống truyền hình vệ tinh, máy thu vệ tinh………… ………….3

1.1.1 Hệ thống truyền hình vệ tinh……….……….3

1.1.2 Máy thu truyền hình vệ tinh……… ………… 8

1.2 Đối tượng và mục đích đề tài……… ……….10

1.3 Cấu trúc luận văn……… …… 11

Chương 2: Một số mô hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh 12

2.1 Bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh……… ……… 12

2.1.1 Các vấn đề chung về tạo dao động……….……… 12

2.1.2 Bộ dao động trong máy thu truyền hình……… 14

2.2 Các tham số đặc trưng……….….16

2.2.1 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động……….….16

2.2.1.1 Ổn định biên độ dao động……… 16

2.2.1.2 Ổn định tần số dao động……….17

2.2.2 Tiêu hao trong khung cộng hưởng và sự biến đổi trở kháng………18

2.2.3 Sự khởi động……….19

2.3 Mô hình dao động riêng……… 22

2.3.1 Bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động Colpitts……… 22

2.3.2 Bộ dao động tụ điện nối chéo……… 25

2.4 Mô hình dao động cầu phương………27

2.4.1 Một số vấn đề về ghép cầu phương……… 27

2.4.2 Mô hình triển khai của bộ dao động cầu phương……….35

3.1 Vệ tinh VINASAT-1……… 40

3.1.1 Giới thiệu……… 40

3.1.2 Các tham số đặc trưng……… 41

3.1.3 Yêu cầu đối với máy thu tín hiệu truyền hình từ VINASAT-1…….… 43

3.2 Đề xuất mô hình bộ dao động cầu phương……….43

3.2.1 Tính toán một số phần tử……….46

3.2.2 Bộ đệm……….48

3.2.2.1 Các mô hình bộ đệm tín hiệu nhỏ……… 49

3.2.2.2 Các bộ đệm thực tế……….53

3.2.3 Điện cảm……… 54

3.2.4 Điều chỉnh tần số……….56

3.3 Bộ dao động cầu phương đề xuất cho máy thu tín hiệu truyền hình qua VINASAT-1……… 61

3.3.1 Sơ đồ bộ dao động……… … 61

3.3.2 Các tham số cơ bản……… ….63

Kết luận………66

Hình 1.2: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS……… 6

Hình 1.3: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO……… 6

Hình 1.4: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder) tại nhà khách hàng……….…… 7

Hình 1.5 Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM……….8

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mạch dao động……… …12

Hình 2.2: Mạch cộng hưởng LC cơ bản với các dạng sóng cho dòng điện ban đầu xác định………15

Hình 2.3: Biến đổi điện trở nối tiếp thành song song……….…… 18

Hình 2.4: Tách bộ dao động để xác định tỉ lệ khởi động……….…… 19

Hình 2.5: Các phần tử là nguồn nhiễu trong bộ dao động LC……….…… 20

Hình 2.6: Phác họa lý tưởng hóa của các vùng nhiễu pha thường có trong hầu hết các bộ dao động tích hợp, loại trừ nhiễu biên độ……….21

Hình 2.7: Sơ đồ của bộ dao động cặp ghép chéo (a) và bộ dao động Colpitts (b)… 23

Hình 2.8: Sơ đồ và mạch tương đương của bộ dao động tụ điện nối chéo………25

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của pha thay đổi dựa trên thời điểm đưa vào của xung dòng điện……….28

Hình 2.10: Phác họa của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên một bộ truyền động xung dòng điện được dịch pha 90o bắt nguồn từ đỉnh của điện áp lối vào………29

Hình 2.11: Mô tả nhiễu lấy trung bình như một hàm của cường độ liên kết………….31

Hình 2.12: Sơ đồ tóm tắt của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên các loạt xung dòng điện dịch pha 90o xuất phát từ các đỉnh điện áp khác nhau Các mũi tên cho biết sự chuyển giao thông tin về pha giữa hai khung cộng hưởng………32

Hình 2.13: Sơ đồ của một bộ dao động cặp ghép chéo được liên kết cầu phương……35

Hình 2.14: Sơ đồ của một bộ dao động Colpitts được liên kết cầu phương………… 36

kết có thể xảy ra……… … ……… …37

Hình 3.1: Sơ đồ phân cực và tần số băng C………….……… …42

Hình 3.2: Sơ đồ phân cực và tần số băng Ku………… ……… 43

Hình 3.3: Mô hình khối thu vệ tinh Zero-IF……….44

Hình 3.4: Mô tả phổ hạ tần theo hai sơ đồ khác nhau Các khối hình chữ nhật……….45

Hình 3.5: Sự chuyển mạch của bộ dịch pha để nhận được cả hai băng tần bên trên và bên dưới……….……… 47

Hình 3.6: sơ đồ (a) và mô hình tín hiệu nhỏ (b) của một bộ đệm nguồn chung…… 49

Hình 3.7: Sơ đồ của một bộ đệm nguồn chung/bộ đổi điện 3 tầng………….………51

Hình 3.8: Sơ đồ (bên trái) và mô hình tín hiệu nhỏ (bên phải) của một bộ đệm lặp nguồn……….……….52

Hình 3.9: Độ tự cảm và Q so với tần số cho một điện cảm với đường kính trong 10 [1]……… ……….……… …………55 m Hình 3.10: Đường cong C-V của 1 2 m  điốt biến dung……….58

Hình 3.11: Đường cong C-V của một điốt biến dung có kích thước tối thiểu(120 60 nm)……… ……….58

Hình 3.12: Sơ đồ thể hiện kết nối điốt điện dung……….59

Hình 3.13: Sơ đồ thể hiện kết nối điện dung thay thế………59

Hình 3.14: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu I từ bộ cộng hưởng……… 62

Hình 3.15: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu Q từ bộ cộng hưởng ……… 62

Hình 3.16: Sơ đồ của nguồn chung 3 tầng không đối xứng/bộ đệm đảo……… 63

Hình 3.17: Tín hiệu 4 đầu ra của bộ dao động ở tần số 11.7GHz……… …65

Bảng 3.2: Điện dung được tính cho mỗi bộ phát đáp băng – Ku của Vinasat – 1…….64

AGC Automatic Gain control Tự động điều chỉnh độ lợi

CCO Crossed-Capacitor Oscillator Bộ dao động tụ điện nối chéo DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếp EPG Electronic Program Guide Hướng dẫn chương trình điện tử FEC Forward Error Correction Chuyển tiếp sửa lỗi

FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất

GEO Geostatinary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

IDU In Door Unit Khối trong nhà

IF Immediate Frequency Trung tần

IRD Integrated Receiver Decoder Bộ thu giải mã tích hợp

IRR Image - Rejection Ratio Tỉ lệ loại bỏ tần số ảnh

ISF Impulse Sensitivity Function Hàm độ nhạy xung

LHC Left-Hand Circular Phân cực tròn trái

LNA Low Noise Amplifier Khối khuếch đại tạp âm nhỏ LNB Low Noise Block Khối tạp âm nhỏ

LNC Low Noise Converter Khối biến đổi tạp âm nhỏ

LSB Least Significant Bit Bít ít quan trọng nhất

LO Local Oscillator Bộ dao động nội

ODU Out Door Unit Khối ngoài trời

PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

S/N Signal/noise Tín hiệu/ nhiễu

SSB Single-Sideband Dải đơn biên

TWT Travelling Wave Tube Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao

VCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VHF Very High Frequency Tần số rất cao

W/L Width/Length Độ rộng/Độ dài

Lời mở đầu

Năm 2008 nước ta đã có vệ tinh riêng VINASAT-1 Đây là vệ tinh viễn thông

nhưng các dịch vụ quảng bá được cung cấp khá nhiều đặc biệt là dịch vụ truyền hình

vệ tinh Đối với máy thu vệ tinh nói chung và máy thu truyền hình quảng bá nói riêng

thì viêc tạo sóng mang sử dụng cho quá trình trộn tần đóng vai trò hết sức quan trọng

trong việc quyết định chất lượng máy thu

Mặc dù chất lượng hình ảnh từ bộ thu tín hiệu truyền hình vệ tinh hiện nay là

khá tốt nhưng giá thiết bị tương đối đắt Hơn nữa khối tạp âm thấp (LNB) và bộ giải

mã thường được tách ra thành hai phần quen thuộc là khối ngoài trời (ODU) và khối

trong nhà (IDU) Hai thành phần này được nối với nhau bằng cáp có tổn hao Cáp

thường dùng để cấp điện một chiều cho LNB, đòi hỏi phải có thêm đường dây cấp điện

cho bộ giải mã Vì những lý do đó mà bộ thu vệ tinh đắt hơn nhiều khi sản xuất và lắp

đặt so với bộ chọn sóng trong TV thông thường

Hiện nay, quy trình CMOS đã thu hẹp độ dài transistor và độ mỏng của oxit cực

cửa hơn bao giờ hết, tạo ra các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) nhanh hơn và chính

xác hơn Vậy nên sự chuyển đổi trực tiếp hoàn toàn băng Ku được lựa chọn Không có

các tầng IF trung gian, các hệ số hiệu suất bộ dao động hơi thấp có thể được cho phép

và làm cho việc chuyển đổi hoàn toàn RF thành băng gốc trong một chip CMOS có

kích thước hợp lý được lựa chọn Với giải pháp bộ thu tín hiệu vệ tinh CMOS một

chíp, giá thành sản phẩm và lắp đặt sẽ giảm đáng kể, tính linh hoạt tăng

Trọng tâm của luận văn là đề xuất một bộ dao động có thể điều khiển bằng số

tích hợp Đối với sự biến đổi trực tiếp đòi hỏi một bộ dao động cầu phương khóa vào

một tinh thể thạch anh bên ngoài bởi cách thức của một vòng khóa pha (PLL)

Hiệu suất của 3 loại bộ dao động cầu phương LC được so sánh: Bộ dao động

Colpitts, bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động tụ điện chéo Luận văn cũng so

sánh bộ dao động cầu phương và bộ dao động đơn Mặc dù bộ dao động cặp ghép chéo

có thể đạt được FoM cao nhất và bộ dao động tụ điện chéo có thể đạt được IRR cao

nhất, bộ dao động Colpitts được đề xuất, do hiệu suất IRR hợp lý và khả năng hoạt

động ở điện thế cung cấp cao hơn bộ dao động cặp nối chéo, cho phép hiệu suất nhiễu

pha ổn định

Luận văn tính toán những tần số và điện dung varicap phù hợp với từng kênh

đường xuống trong băng Ku của Vinasat-1

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, kiến thức còn hạn chế nên luận văn

không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những đóng góp quý báu

của các thầy cô để hoàn thiện hơn luận văn của mình

Chương 1: Giới thiệu 1.1 Khái quát hệ thống truyền hình vệ tinh, máy thu vệ tinh

1.1.1 Hệ thống truyền hình vệ tinh

Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện truyền thông rất phong phú và

đa dạng Thể hiện từ các hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu kết nối số liệu và lưu

lượng thoại lớn cho đến các vệ tinh quảng bá cho các chương trình truyền hình

Trước đây, khi chưa có truyền hình vệ tinh, để xem các sự kiện lớn trên khắp thế

giới khán giả truyền hình phải chờ chuyển băng hình theo đường hàng không đến chậm

cả tuần Ngày nay, với truyền hình vệ tinh chúng ta có thể xem ngay khi sự kiện đang

diễn ra với chất lượng hình ảnh tốt

Truyền hình vệ tinh thực chất là một hệ thống sử dụng đường truyền vô tuyến

qua vệ tinh, được sử dụng để cung cấp các chương trình truyền hình tới người xem trên

toàn thế giới Các tín hiệu truyền hình trong hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá

thường được nén kỹ thuật số, cho phép nhiều chương trình được chuyển tiếp từ một bộ

phát đáp đơn trên vệ tinh

Về mặt kĩ thuật, một hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: Direct

Broadcast Satellite) có 3 thành phần chính:

- Trạm phát tín hiệu vệ tinh/đường lên

- Vệ tinh chuyển tiếp trên quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostatinary Earth Orbit)

- Thiết bị thu truyền hình vệ tinh tại nhà khách hàng

Trạm phát tín hiệu vệ tinh: Giống như các hình thức khác của thông tin vệ tinh, tín hiệu

dịch vụ DBS bắt nguồn từ mặt đất Các kênh cơ bản của dịch vụ DBS thông thường

được truyền đến thiết bị liên kết vệ tinh thông qua kết nối cáp của mạng mặt đất Các

tín hiệu liên kết vệ tinh cũng có thể được sử dụng để cung cấp nội dung chương trình

cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình khác (như các công ty truyền hình vệ tinh

hoặc truyền hình cáp) Ngày càng nhiều các nhà cung cấp dịch vụ DBS để cung cấp

các kênh truyền hình vệ tinh Các anten trạm phát vệ tinh đường lên thường khá lớn,

thông thường có đường kính (9m  12m) Điều này đóng một vai trò quan trọng trong

việc tập trung năng lượng và cung cấp cường độ tín hiệu cao hơn cho các vệ tinh trên

quỹ đạo Các tần số liên kết với vệ tinh nằm ở một dải tần số riêng phù hợp với bộ phát

đáp vệ tinh Hình 1.1 dưới đây cho thấy tổng quan về quá trình truyền dẫn tín hiệu

trong hệ thống DBS

Hình 1.1: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS

Nhìn chung, nội dung thông tin nhận bởi thiết bị đường lên không bị thay đổi

Tuy nhiên, thiết bị đường lên không cung cấp một số chức năng quan trọng Những

chức năng này bao gồm sự điều chỉnh và tái đồng bộ của tín hiệu đến Trong trường

hợp nội dung được ghi lại trước, điều này cũng liên quan đến việc kiểm soát chất lượng

và các chức năng phát lại Nội dung chương trình cũng được sao chép từ các băng chủ

và được lưu trữ trên các máy chủ video phát sóng trên kênh vệ tinh phù hợp theo lịch

trình/hướng dẫn chương trình điện tử (EPG: Electronic Program Guide) Truy cập có

điều kiện tạo nên một phần rất quan trọng của mô hình kinh doanh dịch vụ DBS và các

nhà cung cấp dịch vụ DBS cần phải làm thế nào đó để khách hàng sử dụng và trả tiền

cho dịch vụ này

Thiết bị phát sóng cũng cung cấp các chức năng xử lý tín hiệu quan trọng như

nén nội dung video và audio Nội dung chương trình thường được nén (từ khoảng 270

Mb/s) thành khoảng 110 Mb/s trước khi truyền Điều này giúp tăng cao số lượng các

kênh trên một băng thông nhất định MPEG là chuẩn mã hóa phổ biến nhất được sử

dụng trong khi khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) là

sơ đồ điều chế phổ biến nhất được sử dụng bởi dịch vụ DBS

Các vệ tinh quảng bá GEO: Việc quảng bá tín hiệu từ đường lên DBS được thực hiện

bởi bộ phát đáp RF thích hợp (một phần của bộ chuyển tiếp dịch tần số) trên vệ tinh

Hầu hết các vệ tinh viễn thông chỉ đơn giản là các trạm chuyển tiếp vô tuyến với nhiều

bộ phát đáp ở trên vệ tinh Mỗi bộ phát đáp có băng thông vài chục MHz

Hoạt động đặc trưng của một bộ phát đáp thường được xem như bộ chuyển tiếp vô

tuyến bởi vì thực tế các tín hiệu đường lên thường được khuếch đại và dịch tới một tần

số khác (được gọi là đổi tần) để tránh giao thoa với tín hiệu đường lên trước khi được

gửi trở lại đường xuống

Hình 1.2: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS

Các vệ tinh GEO sử dụng cho dịch vụ DBS có xu hướng giống với các vệ tinh

được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin truyền thống (hình 1.2) Từ giữa những

năm 1990, các vệ tinh được triển khai cho các dịch vụ DBS tăng đột biến về cả kích

thước và trọng lượng Tuy nhiên việc tăng kích thước và trọng lượng này mang đến

nhiều lợi ích cho các dịch vụ DBS Những tấm panel pin mặt trời lớn ở hai bên cho

phép tạo ra công suất DC lớn hơn và các anten lớn hơn tạo điều kiện định hướng các

chùm sóng đường xuống tốt hơn

Hình 1.3: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO

Như được biểu diễn ở hình 1.3, một vệ tinh DBS bao gồm các bộ chuyển tiếp

dịch tần số Máy thu băng thông rộng để nhận tín hiệu đường lên và chuyển đổi thành

tần số đường xuống (bộ khuếch đại tạp âm nhỏ và đổi tần: LNB) Sau đó là các bộ phát

đáp với mỗi phát đáp gồm: Một bộ khuếch đại tự động điều chỉnh độ lợi (AGC:

Automatic Gain Control) và một bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWT: Travelling Wave

Tube) công suất cao Mỗi bộ khuếch đại TWT thường có mức công suất tối đa 240W

Thiết bị thu truyền hình vệ tinh tại nhà khách hàng: Thiết bị điển hình được khách

hàng sử dụng để thu và giải mã tín hiệu DBS được minh họa trong hình 1.4 Thiết bị

này bao gồm một anten thu có mặt phản xạ hình parabol được sử dụng để phản xạ tín

hiệu vệ tinh tới loa thu Tiếp theo loa thu được đặt tại tiêu điểm của anten và nằm phía

trước của ống dẫn sóng được sử dụng để đưa tín hiệu thu tới bộ khuếch đại tạp âm nhỏ

và đổi tần (LNB) Tại đó tín hiệu được chuyển đổi xuống IF, băng L: (950  1450)

MHz

Hình 1.4: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver

Decoder) tại nhà khách hàng

LNB nhận điện áp DC cấp qua cáp đồng trục, cáp được sử dụng để cung cấp tín

hiệu trung tần cho bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder) Bộ IRD

bao gồm các thành phần chức năng quan trọng cần thiết cho dịch vụ DBS Đó là bộ

giải điều chế QPSK, bộ tái tạo tín hiệu truyền hình, bộ chọn kênh IF, bộ giải mã FEC,

bộ phân kênh dòng, bộ giải mã (để truy cập có điều kiện), và bộ giải mã MPEG

(video/audio)

Theo quy định, truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình được thực

hiện trong băng tần Ku (12 GHz) Dịch vụ này được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá

trực tiếp DBS Tùy thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần có thể thay đổi

1.1.2 Máy thu truyền hình vệ tinh

Hình 1.5 cho thấy các khối chính trong một hệ thống thu DBS của đầu thu người

dùng Tất nhiên cấu trúc này sẽ thay đổi trong các hệ thống khác nhau, nhưng sơ đồ

này sẽ cung cấp các khái niệm cơ sở về máy thu truyền hình tương tự (FM) Hiện nay

truyền hình số trực tiếp đến gia đình đang dần thay thế các hệ thống tương tự, nhưng

các khối ngoài trời vẫn giống nhau cho cả hai hệ thống

Hình 1.5 Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM [3]

Khối ngoài trời

Khối này bao gồm một anten thu tiếp sóng trực tiếp cho tổ hợp khuếch đại tạp

âm nhỏ/ biến đổi hạ tần

Băng tần đường xuống dải từ 12,2 GHz đến 12,7 GHz có độ rộng 500 MHz cho

phép 32 kênh truyền hình với mỗi kênh có độ rộng là 24 MHz Tất nhiên các kênh cạnh

nhau sẽ phần nào chồng lấn lên nhau, nhưng các kênh này được ấn định phân cực tròn

trái (LHC: Left-Hand Circular) và phân cực tròn phải (RHC: Right – Hand Circular)

đan xen để giảm nhiễu đến mức cho phép Sự phân bố tần số như vậy được gọi là đan

xen phân cực Loa thu có bộ lọc phân cực được chuyển mạch đến phân cực mong

muốn dưới sự điều khiển của khối trong nhà

Loa thu tiếp sóng cho khối biến đổi tạp âm nhỏ (LNC: Low Noise Converter)

hay khối kết hợp khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) và biến đổi (gọi

chung là LNA/C) Khối kết hợp này được gọi là LNB (Low Noise Block: khối tạp âm

nhỏ) LNB đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và biến đổi nó vào dải tần số

thấp hơn để có thể sử dụng cáp đồng trục giá rẻ nối đến khối trong nhà Dải tần tín hiệu

sau hạ tần là 950-1450 MHz (hình 1.5) Cáp đồng trục hoặc đôi dây xoắn được sử dụng

để cấp nguồn một chiều cho khối ngoài trời Ngoài ra còn có các dây điều khiển

chuyển mạch phân cực

Khuếch đại tạp âm nhỏ cần được thực hiện trước đầu vào khối trong nhà để đảm

bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu Ít khi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ được đặt tại

phía đầu vào khối trong nhà vì nó có thể khuếch đại cả tạp âm của cáp đồng trục Tất

nhiên khi sử dụng LNA ngoài trời cần đảm bảo nó hoạt động được trong điều kiện thời

tiết khắc nghiệt

Khối trong nhà cho TV tương tự

Tín hiệu cấp cho khối trong nhà thường có băng tần từ 950 đến 1450 MHz

Trước hết nó được khuếch đại rồi chuyển đến bộ lọc bám để chọn kênh cần thiết (hình

1.5) Như đã nói, đan xen phân cực được sử dụng vì thế khi thiết lập một bộ lọc phân

cực ta chỉ có thể thu được một nửa số kênh Điều này giảm nhẹ hoạt động của bộ lọc

bám vì bây giờ các kênh đan xen được đặt cách xa nhau hơn

Sau đó kênh đã chọn được biến đổi hạ tần: Thường từ dải 950 MHz vào 70

MHz, tuy nhiên cũng có thể chọn các tần số trong dải VHF Bộ khuếch đại 70 MHz

khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết cho giải điều chế Sự khác biệt chính giữa DBS

và TV thông thường ở chỗ DBS sử dụng điều tần còn TV thông thường sử dụng điều

biên (AM) ở dạng đơn biên có nén (VSSB: Vestigal Single Sideband) Vì thế cần giải

điều chế FM sóng mang 70 MHz và sau đó điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước

khi cung cấp cho các kênh VHF/UHF của máy thu TV tiêu chuẩn

Máy thu DBS còn cung cấp nhiều chức năng không được thể hiện trên hình 1.5

Chẳng hạn các tín hiệu Video và Audio sau giải điều chế ở đầu ra V/A có thể cung cấp

trực tiếp cho các đầu V/A của máy thu hình Ngoài ra để giảm nhiễu người ta còn bổ

sung vào sóng mang vệ tinh một dạng phân tán năng lượng và máy thu DBS có nhiệm

vụ loại bỏ tín hiệu này Các đầu cuối cũng có thể được trang bị các bộ lọc IF để giảm

nhiễu từ các mạng truyền hình mặt đất, ngoài ra có thể phải sử dụng bộ giải ngẫu nhiên

hóa (giải mã) để thu một số chương trình

1.2 Đối tượng và mục đích đề tài

Đối với máy thu vệ tinh nói chung và máy thu truyền hình quảng bá nói riêng thì

việc tạo sóng mang sử dụng cho quá trình trộn tần đóng vai trò hết sức quan trọng

trong việc quyết định chất lượng máy thu

Các bộ dao động hoạt động ở dải tần số siêu cao (băng Ku) thường gặp nhiều vấn

đề về độ ổn định tần số, ghép nối tín hiệu ra cũng như khả năng điều chỉnh tần số chính

xác để tạo sóng mang phù hợp Do đó việc nghiên cứu đề xuất bộ dao động sử dụng

cho các máy thu truyền hình dân sinh là hết sức cần thiết

Trọng tâm của luận văn này là nghiên cứu đề xuất một bộ dao động khả chỉnh Đối

với sự biến đổi trực tiếp, đòi hỏi một bộ dao động cầu phương, nó khóa vào một tinh

thể thạch anh bên ngoài theo phương thức của một vòng khóa pha (PLL) Luận văn đưa

ra được sơ đồ, các thông số của bộ dao động đề xuất, tính toán điện dung của varacap

phù hợp với từng kênh dải tần băng Ku của Vinasat-1

1.3 Cấu trúc luận văn

Luận văn được tổ chức như sau:

Chương 2 giới thiệu một số mô hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình

vệ tinh

Bộ dao động cầu phương dùng cho máy thu truyền hình vệ tinh qua VINASAT-1

được trình bày trong chương 3

Phần kết luận tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và trình bày hướng nghiên

cứu tiếp theo

Chương 2: Một số mô hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh

2.1 Bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh

2.1.1 Các vấn đề chung về tạo dao động

Các mạch tạo dao động sử dụng trong hệ thống thông tin có dải tần hoạt động

tới hàng chục GHz Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực như trasistor,

các bộ khuếch đại thuật toán, diode tunel… Các bộ dao động dùng khuếch đại thuật

toán khi tần số yêu cầu thấp và trung bình, khi tần số yêu cầu cao transistor, đặc biệt

các transistor trường (JFET, MOSFET), được sử dụng

Có thể tạo dao động điều hòa bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương hoặc bằng

mạch tích hợp

Xét mạch khuếch đại có hồi tiếp dương (hình 2.1):

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mạch dao động

Giả sử, khối khuếch đại (A) có hệ số khuếch đại: j k

K K e  và khối hồi tiếp (B)

X K X

'

X X , nghĩa là lúc đó ta có thể nối điểm a và a’ và tín hiệu lấy ra từ mạch hồi tiếp

được đưa trở lại đầu vào (mạch điện không có tín hiệu vào mà có tín hiệu ra)

Vậy điều kiện để mạch dao động ổn định là:

K: Hệ số khuếch đại biên độ

Kht: Hệ số hồi tiếp biên độ

 : Góc dịch pha của bộ khuếch đại k

 : Góc dịch pha của mạch hồi tiếp ht

Biểu thức (1): Điều kiện cân bằng biên độ, cho biết mạch chỉ có thể tạo ra dao

động có biên độ ổn định khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bù được hoàn toàn tổn

hao do mạch hồi tiếp gây ra

Biểu thức (2): Điều kiện cân bằng pha, cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi

tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào

Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng tổn

hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng

pha) Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng ở một tần số f0 thì dao động tạo ra sẽ là dao

động hình sin có tần số f0

Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn như sau:

Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại sẽ xuất

hiện rất nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn Chúng được khuếch đại và qua

mạch hồi tiếp dương để trở lại đầu vào Lúc này các thành phần có biên độ rất nhỏ

Thành phần tần số thoả mãn điều kiện cân bằng pha sẽ được tăng dần về biên độ Giai

đoạn này gọi là giai đoạn tự kích hay phát sinh dao động

Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng dần

Trong giai đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn định Đây là

quá trình quá độ diễn ra trong mạch

Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao động có

giá trị ổn định

* Đặc điểm của mạch dao động

- Mạch dao động cũng là một mạch khuếch đại có hồi tiếp dương Năng lượng tự

dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều

- Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và pha

- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng

một chiều thành xoay chiều

- Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho

biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

2.1.2 Bộ dao động trong máy thu truyền hình

Bộ dao động là khối xây dựng cơ bản cho máy phát và máy thu thông tin Mục

đích của bộ dao động là cung cấp sóng mang cho quá trình xử lý ở máy phát và máy

thu Bộ dao động với tần số cố định thường được sử dụng như bộ dao động chuẩn gốc,

trong khi đó bộ dao động khả chỉnh là một phần của bộ tổng hợp tần số để điều khiển

bộ trộn

Bộ dao động có thể được chia thành các loại khác nhau, dạng sin và không sin,

hoặc khả chỉnh và không khả chỉnh Các bộ dao động dạng sin thường sử dụng các

mạch lọc tần RC, LC và tinh thể Các bộ dao động không phải dạng sin thường sử dụng

hồi tiếp phi tuyến như bộ dao động tích thoát và bộ dao động vòng Các bộ dao động

khả chỉnh chủ yếu sử dụng mạch cộng hưởng với các điốt điện dung điều khiển điện

áp

Về cơ bản có hai loại bộ dao động, bộ dao động RC, như các bộ dao động vòng, và

bộ dao động LC (các tinh thể trong thực tế được coi như bộ cộng hưởng LC) Vì bộ

dao động RC có tần số thấp, kém ổn định nên không được đề cập trong luận văn

Mạch cộng hưởng LC làm việc theo nguyên lý được minh họa trong hình 2.2

Khi cung cấp dòng điện hoặc điện áp cho mạch, tụ điện sẽ được tích điện cho đến

khi nào đầy nó sẽ phóng điện qua L Ban đầu dòng điện tăng gây ra hiện tượng tự cảm

với e L di

dt

  Suất điện động tự cảm làm chậm sự phóng điện của tụ điện, và khi tụ

điện hết điện tích thì dòng tự cảm lại nạp điện cho tụ điện, làm cho tụ điện lại được tích

điện nhưng theo chiều ngược lại Sau đó, tụ điện lại phóng điện Hiện tượng sẽ lặp đi

lặp lại tạo thành dao động điện từ trong mạch

Ở tần số cộng hưởng 01/ LC, trở kháng của mạch LC song song trở thành vô

hạn (tương đương, trở kháng của mạch nối tiếp bằng 0), năng lượng được dự trữ trong

mạch chuyển từ năng lượng thế trong tụ điện (1 2

2Cu ) thành năng lượng dòng trong

cuộn dây (1 2

2Li ) và ngược lại, với điện áp và dòng điện có dạng hình sin vuông pha với nhau và tỉ số biên độ điện áp và dòng điện là V0/I0  L C/ Bằng cách cung cấp

dòng điện hoặc điện áp, các mạch điện có thể hoạt động ở một tần số được điều khiển

một cách chính xác bằng cách điều chỉnh giá trị các thành phần của mạch cộng hưởng

2.2 Các tham số đặc trưng

2.2.1 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động

2.2.1.1 Ổn định biên độ dao động

Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha được thỏa mãn tại một tần số

nào đó, đồng thời KKht>1 thì mạch phát sinh dao động ở tần số đó Ta nói mạch ở trạng

thái quá độ Ở trạng thái xác lập, biên độ dao động không đổi ứng với KKht=1

Để đảm bảo biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau đây:

- Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều

thích hợp

- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi

điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại

- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh Ví dụ điện trở nhiệt, điện

trở thông của diode

Tùy vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong biện pháp trên

2.2.1.2 Ổn định tần số dao động

Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha

Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi sẽ dẫn đến thay

đổi của tần số dao động

Điều kiện cân bằng pha:  k ht 2 n

Cho n 0  k ht 0

Giả sử  k phụ thuộc vào tham số m của mạch khuếch đại và  ht phụ thuộc tham

số n của mạch hồi tiếp, đồng thời   k, ht phụ thuộc tần số 

Từ biểu thức (2.2) ta suy ra các biện pháp nâng cao độ ổn định tần số:

1 Thực hiện các biện pháp nhằm giảm sự thay đổi tham số của mạch hồi tiếp (dn) và

- Dùng các linh kiện có sai số nhỏ

2 Dùng các biện pháp nhằm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa

3 Thực hiện các biện pháp làm tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức là tăng

2.2.2 Tiêu hao trong khung cộng hưởng và sự biến đổi trở kháng

Trong thực tế, các thành phần kháng lý tưởng không tồn tại, luôn có hao phí,

thường được thể hiện như một điện trở nối tiếp Điện trở nối tiếp này gây ra trở kháng

nên trở kháng tổng được viết như sau:Z t( ) R( )  jX( ) và độ phẩm chất Q phụ

thuộc vào tần số theo công thức sau: Q( )  X( ) / ( ) R 

Có thể hợp nhất tất cả các hao phí thành một điện trở Với phép biến đổi trở

kháng, nếu chỉ xem xét các tín hiệu băng hẹp thì điện trở nối tiếp Rs của các thành phần

kháng có độ phẩm chất cao có thể chuyển đổi thành các điện trở song song Rp, như

được minh họa trong hình 2.3 Trong cả hai trường hợp, phần điện cảm và điện dung

2

(2.3)

R Q R

Các điện trở song song này sau đó dễ dàng được kết nối thành một điện trở tổng song

song tương đương RT Sự biến đổi trở kháng là rất cần thiết để làm đơn giản phép phân

tích các bộ dao động có độ phẩm chất cao/nhiễu thấp ở tần số cỡ GHz

Hình 2.3: Biến đổi điện trở nối tiếp thành song song

Điện trở tổng được bù trừ bởi một “điện trở âm” làm cho dao động được duy trì ở

tần số mong muốn Một điện trở song song lớn đòi hỏi bù trừ ít hơn (dòng điện được

đưa vào ít hơn) và do đó thích hợp hơn Nói cách khác, điện trở song song càng lớn thì

độ phẩm chất của khung cộng hưởng càng cao, độ phẩm chất của khung cộng hưởng

được xác định như sau:

(2.4)/

T h

R Q

L C



2.2.3 Sự khởi động

Điều quan trọng là bộ dao động phải hoạt động và nếu nó hoạt động ta sẽ biết được

giới hạn của nó Với mục đích này, ta tách bộ dao động thành phần tích cực và phần

thụ động (hình 2.4)

a Mạch nối tiếp b Mạch song song Hình 2.4: Tách bộ dao động để xác định tỉ lệ khởi động

Để thuận lợi trong phân tích, điện cảm được lựa chọn thuộc phần thụ động, điện

dung được đưa sang phần tích cực Tỉ lệ khởi động tương ứng đối với mạch nối tiếp và

mạch song song được cho bên dưới

Tỉ lệ khởi động (nối tiếp)

Cả điện trở song song (tương đương) RT và khối phần tử tích cực bù trừ tổn hao đều

sinh ra nhiễu Khối phần tử tích cực thường cũng bù tổn hao do điện trở lối ra Rds sinh

ra Điều này được mô tả trong hình 2.5

Hình 2.5: Các phần tử là nguồn nhiễu trong bộ dao động LC

Các điện trở và khối phần tử tích cực sinh ra nhiễu nhiệt, thường là nhiễu trắng

với mật độ dòng nhiễu tương ứng là 2 4 .B

nhỏ đóng góp lượng nhiễu 1/f đáng kể Hàm truyền dòng nhiễu của bộ dao động LC

chứa thêm nhiễu 1/f2 đối với các dải biên [7] và các bộ đệm lối ra sinh ra một tầng

nhiễu trắng phẳng Điều này làm tăng 3 vùng nhiễu pha, 1/f3, 1/f2 và các vùng phẳng

(được xác định sau độ độ dốc), trong phổ tần gần tần số dao động, được minh họa trong

hình 2.6 đối với trạng thái không có nhiễu biên độ Chú ý rằng theo nguyên lý, phổ này

đối xứng xung quanh tần số dao động đối với các phân nhánh nhỏ (nhiễu pha đúng

bằng nhau để gây ra cả biến đổi tần số âm và dương)

Hình 2.6: Phác họa lý tưởng hóa của các vùng nhiễu pha thường có trong hầu hết

các bộ dao động tích hợp, loại trừ nhiễu biên độ [12]

Mối quan hệ giữa phổ mật độ công suất của bộ dao động (PSD: Power Spectral

Density) và phổ nhiễu pha dải đơn biên (SSB: Single-Sideband) được cho như sau [8]:

Trong đó fc là tần số dao động tính bằng Hz, SX(fc + f) là mật độ phổ công suất của

bộ dao động tính theo đơn vị W/Hz tập trung xung quanh tần số dao động (bỏ qua

nhiễu biên độ), và Ps là công suất toàn phần trong phổ Trong [8] đề xuất tính toán công

suất toàn phần như sau:

 

3 2

1 2

Công thức này cho phép chuyển đổi dễ dàng từ công suất đo được trên một bộ

phân tích phổ (hoặc thiết bị khác) thành nhiễu pha dải đơn biên

Tính toán chính xác phổ nhiễu pha dải đơn biên là rất khó khăn nên trong luận văn

sử dụng phép xấp xỉ bậc một Mặc dù đã đòi hỏi tối đa ứng dụng một cách trực quan

nhưng những phương pháp gần đây vẫn bị hạn chế, đặc biệt cho các nguồn nhiễu màu

như nhiễu 1/f từ các MOSFET Bề ngoài, rất khó để biết được mạch chỉ bao gồm hai

thành phần: Khối phần tử tích cực và một nguồn nhiễu màu

Trong các tài liệu thường sử dụng hệ số phẩm chất FoM (FoM – Figure of Merit),

có đơn vị dB, FoM càng lớn càng tốt FoM được xác định theo công thức đưa ra bên

dưới, trong đó  o là tần số góc của dao động,  là độ dịch tần số ở một nơi nào đó

trong vùng nhiễu pha 1/f2 và Pdiss là tổng công suất tiêu hao

Do định nghĩa,  được lựa chọn trong vùng 1/f2 cho phép so sánh khá tốt về hiệu

suất giữa các bộ dao động khác nhau Trong nghiên cứu này, đây không phải là phép

đo tuyệt đối của công suất, bởi vì vùng 1/f3 có thể giới hạn hiệu suất của bộ dao động,

nó được xác định bằng cách tích phân nhiễu pha của vòng khóa pha toàn phần trên các

nhiễu không mong muốn, trong trường hợp này đó là các kênh gần kề trong chính băng

Ku

2.3 Mô hình dao động riêng

2.3.1 Bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động Colpitts

Có hai cách phổ biến để bù hao phí trong hộp cộng hưởng Cách thứ nhất là ghép

chéo các cực cổng và cực máng của một cặp transistor khác nhau với hộp cộng hưởng

Phương pháp này gần giống với các tính chất nhất thời của điện trở âm lý tưởng Cách

thứ hai để bù những hao phí này là cung cấp một cách định kì một lượng điện tích vào

trong khung cộng hưởng Cấu trúc liên kết bộ dao động này rất giống bộ dao động

Colpitts Cả bộ dao động cặp ghép chéo (XCP) lẫn bộ dao động Colpitts vi sai được

minh họa trong hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ của bộ dao động cặp ghép chéo (a) và bộ dao động Colpitts (b)

Nhiều nghiên cứu đã đi vào các cấu trúc liên kết của bộ dao động này, và các giải

pháp dạng đóng cho các hệ thống xử lý CMOS của cả hai bộ dao động đã đạt được thể

hiện qua công thức: (2.10) và (2.11)

colpitts

k T L

n R g

k T L

Trong đó, L x p air() và L colpitts() là các mật độ nhiễu pha trong vùng 1/f2 (do

nhiễu nhiệt) ở độ lệch tần số góc  lần lượt đối với bộ dao động cặp ghép chéo và bộ

dao động Colpitts k Blà hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, N = 2 đối với một

bộ dao động vi sai, Atank là biên độ dao động, C là điện dung của khung cộng hưởng,

RT là tổng điện trở tương đương song song với khung, IB là dòng điện cuối (dùng cho

bộ dao động có nguồn dòng cuối),  là một nửa góc dẫn của các transistor Colpitts

(thường có giá trị khá nhỏ),  là thành phần nhiễu của MOSFET được miêu tả bên

trên, n là tỉ số bộ chia điện dung, và g mTlà độ dẫn nạp của nguồn phân cực nhiễu Đối

với 2

3

  , đúng với các MOST kênh dài, và khi không có nguồn phân cực nhiễu, giá trị

tối ưu của n có thể xấp xỉ bằng 0.3 Điều này đã được xác định bằng mô phỏng, cũng

sử dụng cho thiết bị kênh ngắn trong các bộ dao động Colpitts vi sai đơn

Bộ dao động Colpitts chống lại dao động lớn hơn trước khi các oxit cực cửa bị phá

vỡ, khi đó các transistor không được nối với đất Ngoài ra, các liên kết cầu phương

trong hai bộ dao động không cần thiết phải giống nhau và bộ đệm có thể có ảnh hưởng

khác nhau với các dạng sóng khác nhau Nhiễu nhiệt của bộ dao động cặp ghép chéo đã

được mô phỏng (không có nguồn dòng cuối nhiễu, nó không có lợi trong quá trình này

do trở kháng lối ra thấp) và phù hợp với 1dB của công thức cho độ dài kênh danh định

tối ưu 120nm (Atank = 1V, C = 175fF, Q = 25 hiệu suất -100dBc/Hz ở 100kHz), với cấu

trúc liên kết Colpitts cho hiệu suất kém hơn một chút ở cùng một điện áp cung cấp

Một chi tiết đáng chú ý đó là độ phẩm chất của bộ dao động cặp ghép chéo tối ưu đối

với điện áp cung cấp khoảng 0.8V

Lợi thế của việc sử dụng quy trình CMOS với chiều dài cực cửa tối thiểu nhỏ hơn

đó là gm tương tự có thể được chế tạo ở điện dung lối vào (kí sinh) thấp hơn, dẫn đến

phạm vi điều chỉnh bộ dao động rộng hơn Tất nhiên rds kí sinh có ưu thế hơn (thấp

hơn) cho các thiết bị kênh ngắn, nhưng điều này dường như chỉ có hại cho cấu trúc liên

kết cặp ghép chéo, trong khi bộ dao động Colpitts có lợi thế là nửa góc dẫn  nhỏ

(xuất hiện trong (2.11), nhưng không có trong (2.10)) do fT của những thiết bị như vậy

cao

2.3.2 Bộ dao động tụ điện nối chéo

Trong bộ dao động tụ điện nối chéo (Crossed-Capacitor CCO), điện trở âm

được tạo ra bởi bộ đệm nguồn chung vi sai, lối vào của nó được nối chéo điện dung với

lối ra, như được thể hiện trong hình 2.8, cùng với mô hình tín hiệu nhỏ rout tính toán

cho tổng điện trở lối ra, bao gồm điện trở cực máng rd và điện trở kênh kí sinh rds của

transistor Chú ý rằng các điện trở này được tách rời khỏi khung cộng hưởng và điện

trở song song tương đương được thể hiện như là một sự biến đổi trở kháng từ một

mạng nối tiếp bao gồm hai điện trở ra và cả hai tụ điện chéo Việc tách riêng các điện

trở kí sinh này giải thích hiệu suất nhiễu pha vượt trội của cấu trúc này

Hình 2.8: Sơ đồ và mạch tương đương của bộ dao động tụ điện nối chéo

Để đơn giản phép phân tích, đầu tiên ta loại bỏ điện trở ra Với mục đích này,

(2.12)1

m

out in

Như vậy kết quả này vẫn chưa hữu ích, nhưng có thể được sử dụng để tìm ra trở

kháng vào của cấu trúc này:

Kết quả cho thấy rằng các điện dung nối chéo cần phải lớn hơn các điện dung cực

cửa để đạt được trở kháng vào âm (số hạng thứ hai) Điện dung cực cửa tương đối lớn,

bởi vì tín hiệu lớn, Gm nhỏ hơn, và do đó điện trở âm lớn hơn các cấu trúc liên kết của

bộ dao động khác có cùng W/L (Width/Length) Thêm vào điện dung chéo thậm chí

lớn hơn trong số hạng thứ nhất, điều này dẫn đến một điện dung cố định lớn Điện

dung lối vào âm giải thích tại sao bộ dao động này có phạm vi điều chỉnh tương đối

nhỏ so với các cấu trúc liên kết khác Nếu điện dung tụ nối được chọn có ưu thế hơn,

giá trị gần đúng của trở kháng vào vi sai trong (2.14) có giá trị:

hình 2.8, nếu điện dung tải và điện trở ra không đáng kể Không có dòng điện chạy

trong các nhánh, trừ dòng điện từ độ hỗ dẫn Vậy điện trở vào âm của mỗi nhánh bằng

với 1/gm, nó tăng gấp đôi cho phép tính vi phân

2.4 Mô hình dao động cầu phương

2.4.1 Một số vấn đề về ghép cầu phương

Mặc dù nhiều nghiên cứu đã được công bố về các bộ dao động LC cầu phương,

loại bộ dao động này vẫn chưa được miêu tả một cách rõ ràng Một trong rất ít các

đường dẫn thiết kế được đưa ra trong [14], ở đó người ta giả thiết rằng nếu hai hộp

cộng hưởng được nối một cách chính xác thành cầu phương, nhiễu pha cuối cùng tốt

hơn một bộ dao động đơn, bởi vì độ phẩm chất Q tăng

Một cách nhìn khác đã được đưa ra bởi Sander Gierking [18] Nếu nối cầu phương

cơ bản là một bộ dịch pha 90o không nhiễu thì bộ dao động cầu phương về ý nghĩa có

thể được xem như hai bộ dao động song song, hoặc một bộ dao động đơn có hai yếu tố

cùng độ rộng Bộ dao động này tạo ra nhiễu pha ít hơn 3dB so với bộ dao động đơn và

tiêu thụ gấp hai lần dòng điện ở cùng một độ phẩm chất

Có thể đưa ra giả thiết về cách nhìn trực quan khác về liên kết cầu phương, từ đó

nhiều kỹ thuật nối liên quan đến transistor liên kết nhiễu và một bộ dịch pha liên kết

đúng bằng 90o là không thể thực hiện được Giả thiết này bao gồm sự ghép nối không

cân xứng của các tần số tự nhiên trong khung cộng hưởng trong các bộ dao động LC

nối cầu phương, ghép không cân xứng giữa các mạng liên kết các khung cộng hưởng

và sự lựa chọn độ lớn liên kết

Đánh giá sự ảnh hưởng nhiễu của transistor liên kết ở những thời điểm khác nhau

là rất hữu ích để chỉ ra lý thuyết hàm độ nhạy xung (ISF – Impulse Sensitivity

Function), Hajimiri và Lee [7] đã chỉ ra rằng hàm độ nhạy xung tương ứng với độ nhạy

tức thời của pha bộ dao động cho dòng điện xung nhiễu loạn duy nhất được đưa vào

một giao điểm của bộ dao động Trong bộ dao động LC, giao điểm này là giao điểm

của khung cộng hưởng và hình dạng của hàm độ nhạy xung là dạng hình sin dịch pha

90o so với điện áp của khung cộng hưởng Nói cách khác, pha bộ dao động là nhạy

nhất ở những điểm giao nhau tại điểm không, và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi các

nhiễu ở đỉnh Trạng thái này được minh họa trong hình 2.9 Ngoài ra có thể nhìn thấy

được rằng một xung dòng điện được đưa vào ngay trước đỉnh của xung điện áp gây ra

sự tăng pha và cùng xung như vậy gây ra sự giảm pha nếu nó được đưa vào ngay sau

đỉnh điện áp

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của pha thay đổi dựa trên thời điểm đưa vào của xung

dòng điện

Điều này ta có thể miêu tả theo phép giải tích, nếu ta xác định hàm nhiễu 

Chúng ta có thể miêu tả sự dịch pha tạo thành  của khung cộng hưởng LC như tích

phân trên một chu kì của hàm độ nhạy xung được nhân với hàm nhiễu (phép nhân chập

trực tiếp), với điều kiện là  nhỏ hơn chu kì của bộ dao động rất nhiều Biểu thức

Trong đó Flà hàm độ nhạy xung được định nghĩa bằng với d /dq

Hình 2.10 miêu tả liên kết không cân bằng của hai khung cộng hưởng Ở đỉnh biên

độ của bộ dao động (cosin) thứ nhất, một xung được kích thích đưa vào bộ dao động

(sin) thứ hai với độ dịch pha 90o, để nó đến một cách chính xác đỉnh biên độ của bộ

dao động thứ hai Giả định rằng cả hai hộp cộng hưởng được điều chỉnh để có cùng tần

số

Hình 2.10: Phác họa của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên một bộ truyền động

xung dòng điện được dịch pha 90o bắt nguồn từ đỉnh của điện áp lối vào

Đối với trường hợp này, ta định nghĩa: