BÀI BÁO CÁO-THIẾT KẾ MIXER

Trong các hệ thống thông tin, tại phía thu, nhờ mixer như trong hình 1, tần số RF được chuyển xuống tần số IF thấp hơn cho phép tăng tính chọn lọc bộ lọc và thiết kế các bộ khuếch đại dễ

LÍ THUYẾT MIXER:

Mixer là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số khác nhau Trong các hệ thống thông tin, tại phía thu, nhờ mixer như trong hình 1, tần số RF được chuyển xuống tần số IF thấp hơn cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết kế các bộ khuếch đại dễ dàng hơn

Hình 1 – Vai trò của mixer ở máy phát và máy thu

Đặc tính phi tuyến của một thiết bị mixer là cơ sở để thực hiện chức năng trộn tần Những thiết bị này bao gồm FET, diode và các BJT

Mixer thường được dùng để nhân các tín hiệu ở các tần số khác nhau để thực hiện chuyển đổi tần số Lí do thực hiện chuyển đổi tần số là do nếu thực hiện lọc trực tiếp với tần số trung tâm ở tần số cao tần thì sẽ đòi hỏi các bộ lọc có hệ số phẩm chất rất cao và rất khó thực hiện trong thực tế Điều này sẽ được giải quyết nếu tần số sóng mang RF được đổi tần xuống trong một hệ thống thông tin Một hệ thống thường gặp đó là các máy thu đổi tần (máy thu hetorodyne) được minh họa như trong hình 2:

Hình 2 – Hệ thống máy thu đổi tần

Tín hiệu RF sau khi được đưa qua khuếch đại tạp âm thấp, đưa vào mixer như là thành phần tín hiệu đầu vào, nó sẽ được nhân với tín hiệu có tần số fLO từ bộ tạo dao động nội Tín hiệu thu được sau mixer chứa các thành phần tần số fRF±fLO sau khi qua lọc thông thấp được thành phần fRF – fLO được gọi là thành phần tần số trung tần (IF)

Hai thành phần chính cấu tạo nên mixer là bộ kết hợp và bộ phát hiện Bộ kết hợp sử dụng các bộ ghép nối định hướng 900 hoặc 180 0 Bộ phát hiện thường sử dụng một diode như một thiết bị phi tuyến Tuy nhiên, những cấu hình gồm hai hoặc bốn diode cũng có thể được sử dụng Bên cạnh diode, các phần tử phi tuyến khác như BJT, FET với hệ số tạp âm thấp và độ khuếch đại chuyển đổi cao cũng được sử dụng

Nguyên lí hoạt động cơ bản của Mixer

Để thực hiện chức năng nhân tần số, phải sử dụng các thiết bị phi tuyến Hình 3 miêu tả cách thức chuyển đổi tần số của một mixer với đầu vào là tín hiệu RFF VRF (t) và tín hiệu từ bộ dao động nội VLO (t) được xem như tín hiệu bơm

Hình 3 - Sơ đồ mixer, hai thành phần tần số đầu vào tạo các tần số mới ở đầu ra

Cả diode và BJT đều có đặc tính truyền đạt là phi tuyến dạng mũ, biểu diễn như sau:

/

0( V V T 1)

I =I e − Điện áp đầu vào được biểu diễn như tổng của tín hiệu RF v RF =V c RF os(ωRF t) và tín hiệu

LO v LO =V c LO os(ωLO t) và một điện áp phân cực VQ:

V =V +V c ω t +V c ω t

Điện áp này đưa vào một thiết bị phi tuyến nên đặc tính dòng đầu ra có thể biểu diễn qua chuỗi Taylor khai triển quanh điểm hoạt động Q:

2

2

1

2

Bỏ qua các thành phần phân cực VQ và IQ, thay biểu thức V vào I(V) thu được:

)

t

+

Có thể viết lại như sau:

( ) RF LO{ os[( RF LO) ] os[( RF LO) ]}

I V = +BV V c ω +ω t +c ω −ω t

Như vậy, có thể thấy rằng, đặc tính phi tuyến của diode hoặc transistor tạo các thành phần tần số mới có dạng ωRF ±ωLO Các biên độ cũng được khuếch đại lên với B là một hệ số phụ

thuộc vào thiết bị

Ở trên, chuỗi Taylor mới chỉ biểu diễn đến số hạng thứ 3, tức là sản phẩm xuyên nhiễu bậ hai (V2B) các thành phần bậc cao hơn đã bị loại bỏ Với diode hay BJT, các thành phần bậc cao này ảnh hưởng rõ đến hiệu năng của mixer

Xem xét trong miền tần số:

Giả thiết rằng tần số trung tâm RF có hai thành phần tần số khác cách ωRF một khoảng ωW

Thành phần LO chỉ có một thành phần tần số tại ωLO Sau khi thực hiện trộn tần, biểu diễn phổ

gồm cả các thành phần được nâng tần và hạ tần như trong hình 4

Thông thường, quá trình đổi tần lên xảy ra ở phía phát và quá trình hạ tần thực hiện ở phía thu Một số khái niệm thường được sử dụng như:

- Dải tần dưới (Lower sideband): ωRF −ωLO

- Dải tàn trên (Upper sideband): ωRF +ωLO

- Hai dải tần (DSB): (ωRF −ωLO, ωRF +ωLO)

Hình 4-Các thành phần sau khi đổi tần lên và đổi tần xuống

Một vấn đề phải xem xét đó là việc xuất hiện tần số ảnh trong cùng dải tần được đổi tần xuống Giả thiết một tín hiệu RF được đổi tần xuống với một tần số LO cho trước Bên cạnh tín hiệu mong muốn, chúng ta có một thành phần tần số đối xứng với thành phần RF qua tần số IF Thành phần RF được đổi tần như sau:

Tuy nhiên, thành phần tần số ảnh cũng được chuyển đổi như sau:

Do vậy, cả hai phổ tần đều bị dịch đến cùng một vị trí tần số Để tránh hiện tượng này cần

có một bộ lọc loại tần số ảnh đặt trước mixer

Hình 5 – Vấn đề tần số ảnh Một số đặc tính quan trọng của Mixer

- Conversion loss: Tỉ số giữa mức tín hiệu đầu ra mong muốn so với mức tín hiệu đầu

vào (thường tính bằng dB) ứng với một mức công suất đầu vào LO

- High-side injection: khi tần số LO cao hơn so với tần số RF.

- Low-side injection khi tần số LO thấp hơn so với tần số vào RF.

- Hệ số tạp âm (Noise Figure): Tỉ số cường độ tín hiệu trên nhiễu đầu vào chia đầu ra

đo tại 290K

- Điểm nén 1dB: Đối với các mức tín hiệu đầu vào nhỏ, cường độ đầu ra tăng tuyến tính

theo cường độ tín hiệu đầu 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

- Điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point) Đây là một tham số chất lượng để

đánh giá tính tuyến tính của mixer Nó được đo bằng cách đưa hai thành phần thử (tone) gần nhau tại các tần số F1 và F2 vào đầu vào mixer Các sản phẩm xuyên nhiễu bậc 3 từ các tone này

với thành phần tần số FLO tại các tần số (2F1±F2)±FLO và (2F2±F1)±FLO Trong trường hợp

bộ đổi tần xuống, các sản phẩm xuyên nhiễu bậc ba đáng chú ý là (2F1-F2)- FLO và (2F2-F1)-FLO do các thành phần này nằm gần với dải trung tần

Hình 6 - Đo điểm chặn bậc 3

Bản chất của điểm chặn bậc 3 là một điểm tưởng tượng, tại đó các thành phần xuyên nhiễu bậc

3 trở nên đủ lớn so sánh với các sản phẩm đổi tần xuống mong muốn Mức các thành phần bậc

3 tăng gấp 3 lần so với mức tăng của mức tín hiệu đầu vào và mức các thành phần cơ bản đầu

ra Cường độ đầu ra tại điểm chặn bậc ba (TOIout) được tính toán như sau: (theo đơn vị dB)

- Tính tuyến tính: Tính tuyến tính của một mixer là khả năng kiểm soát mức tín hiệu của

nó Một mixer có độ tuyến tính cao đồng nghĩa nó có TOI cao

- Tần số ảnh: Với các mixer có FLO > FRF thành phần này là FLO + FIF, với các mixer

có FLO < FRF, thành phần này là FLO - FIF Với các mixer đổi tần xuống, thành phần tần số ảnh vào mixer sẽ được đổi tần xuống và trùng vào thành phần tần số IF Với các mixer đổi tần lên, thành phần này là một dải tần không mong muốn nếu không được lọc thích hợp thường ở cùng mức năng lượng với tín hiệu mong muốn

- Interport isolation (cách ly các cổng bên trong) là mức độ xuyên nhiễu giữa các cổng

LO, IF, RF của mixer Giá trị này tính theo dB, là sự suy giảm tín hiệu của một cổng tại đầu vào hoặc đầu ra cổng khác Yếu tố quan trọng nhất của các cách ly này là sự suy giảm tín hiệu LO tại các cổng IF và RF, xuyên nhiễu LO là khó khăn chính trong việc thiết kế bộ phát và thu của

hệ thống, và cách ly RF-LO ít được quan tâm bởi vì tín hiệu RF có các mức đầu vào thấp Thường thì cách ly LO-IF sẽ nằm trong dải từ 0 đến 50dB, phụ thuộc vào cấu trúc mạch và cơ chế lọc ở các cổng

Thiết kế mixer một đầu ra (Single-ended Mixer)

Đây là loại mixer đơn giản nhất nhưng hiệu quả không cao Một ví dụ được minh họa trong hình 7

Hình 7-Hai loại mixer một đầu ra

Các nguồn tín hiệu RF và LO được đưa vào một diode được phân cực bằng một mạch cộng hưởng được điều chỉnh đến tần số IF mong muốn

Một số tham số quan trọng cần lưu ý trong quá trình thiết kế là:

- Tổn hao chuyển đổi (Conversion Loss) hoặc khuếch đại chuyển đổi giữa công suất tín hiệu RF và IF

- Hệ số tạp âm

- Cách li giữa các cổng LO và RF

- Tính phi tuyến

Do các tín hiệu LO và RF không được phân cách về điện, nên có khả năng tín hiệu LO có thể gây nhiễu với sự thu nhận tín hiệu RF Để đặc trưng cho điều này, người ta đưa ra khái niệm Conversion loss (CL) của một mixer (được tính bằng dB) là tỉ số giữa công suất cung cấp đầu vào chia cho công suất đầu ra IF nhận được:

10log RF

IF

P CL

P

Giá trị Conversion gain là nghịch đảo của giá trị CL

Bên cạnh, hệ số tạp âm của một mixer thường được định nghĩa tổng quát như sau:

F= nout

n in

P CGP

Pnout và Pn in là công suất tạp âm tại đầu ra do tín hiệu đầu vào RF (tại RF) và tổng công suất tạp âm tại đầu ra (tại IF)

Tính không tuyến tính thường được định lượng dựa vào sự nén chuyển đổi hoặc xuyên nhiễu Nén chuyển đổi liên quan đến công suất đầu ra IF chỉ tỉ lệ tuyến tính với công suất đầu vào RF đến một điểm xác định nào đó rồi giảm dần Điểm mà sự suy giảm đạt 1dB so với mức tuyến tính là một tham số quan tâm của mixer Xuyên nhiễu liên quan đến ảnh hưởng của thành phần tần số thứ hai trong tín hiệu RF đầu vào Để đánh giá ảnh hưởng này, hai tín hiệu thử (tone) được sử dụng Nếu fRF là tín hiệu mong muốn và f2 là thành phần tín hiệu thứ hai, quá trình trộn tần tạo ra một thành phần tần số tại 2f2-fRF±fLO trong đó dấu ± biểu diễn đổi tần lên hoặc xuống Ảnh hưởng của thành phần xuyên nhiễu này được biểu diễn trong cùng hình vẽ biểu diễn nén chuyển đổi

Hình 8 – Biểu diễn điểm nén 1dB và điểm chặn bậc 3

Điểm chặn (cắt) giữa đáp ứng đầu ra tuyến tính và đáp ứng thành phần xuyên nhiễu bậc 3 không mong muôn gọi là điểm chặn bậc ba là một tham số chất lượng chung, chỉ ra khả năng của một mixer để triệt tiêu ảnh hưởng này

Một số tham số khác cũng có thể được xem xét như sự cách li giữa các cửa RF và IF và dải động (dải biên độ mà không có sự suy giảm về hiệu năng)

Việc thiết kế mixer theo cách này dựa trên sơ đồ tổng quát như hình 9 Các tín hiệu RF và

LO được cấp ở đầu vào của một transistor hoặc một diode được phân cực Các kĩ thuật phối hợp trở kháng ở đầu vào và đầu ra được thực hiện

Hình 9– Sơ đồ tổng quát thiết kế một mixer một đầu ra

THIẾT KẾ BJT MIXER MỘT ĐẦU RA VỚI TẦN SỐ RF 1575.42 MHz:

Mô hình sử dụng là BJT Motorola MMBR941 Đây là BJT có hệ số tạp âm thấp, được sử dụng ở dải tần rộng và tần số cao: có thể lên tới 3GHz

Tính toán phân cực cho transistor:

VC và IC đã được xác định, chỉ cần tính toán dòng IB

VCC = 1V, ICE = 500uA và IBB thay đổi từ 1uA đến 10uA

VBE

VCE

¥

I_Probe

ICC

I_DC

base_current

Idc=IBB

Term

Term2

Z=50 Ohm Num=2

Term

Term1

Z=50 Ohm Num=1

V_DC

VCC

Vdc=1.0 V

DC_Block

DC_Block1

pb_mot_MMBR941_19961020

Q1

DC_Feed

DC_Feed2

DC_Block

DC_Block2

DC_Feed

DC_Feed1

VAR

VAR1 IBB=0

EqnVar

DC

DC1

Step=0.5 uA Stop=10 uA Start=1 uA SweepVar="IBB"

DC

ICE , VBE-IBB, VCC=1V IBB

1.000E-6 1.500E-6 2.000E-6 2.500E-6 3.000E-6 3.500E-6 4.000E-6 4.500E-6 5.000E-6 5.500E-6 6.000E-6 6.500E-6 7.000E-6 7.500E-6 8.000E-6 8.500E-6 9.000E-6 9.500E-6 1.000E-5

BiasPoint ICC.i 102.7 uA 154.5 uA 206.3 uA 257.9 uA 309.4 uA 360.8 uA 412.2 uA 463.4 uA 514.6 uA 565.7 uA 616.8 uA 667.8 uA 718.8 uA 769.6 uA 820.5 uA 871.3 uA 922.0 uA 972.7 uA 1.023 mA

BiasPoint VBE 665.5 mV 676.2 mV 683.8 mV 689.6 mV 694.4 mV 698.5 mV 702.0 mV 705.1 mV 707.9 mV 710.4 mV 712.7 mV 714.8 mV 716.7 mV 718.6 mV 720.3 mV 721.9 mV 723.4 mV 724.8 mV 726.2 mV

Rb 84529.635 49209.429 33115.916 24143.233 18520.552 14716.285 11998.583 9976.677 8424.296 7202.032 6219.680 5416.501 4750.222 4190.598 3715.466 3308.250 2956.328 2649.938 2381.418

Rc 2410.638 1602.222 1200.472 960.191 800.304 686.232 600.741 534.280 481.125 437.642 401.408 370.749 344.468 321.690 301.756 284.165 268.526 254.531 241.933

Eqn Rb= (0.75-VBE)/IBB

Eqn Rc=(0.25)/(ICC.i+IBB)

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

Kết quả ứng với các giá trị điện trở trên:

freq 0.0000 Hz

ICC.i 518.7 uA

VBE 708.3 mV

VCE 751.0 mV

Khảo sát đặc tính làm việc của transistor ở chế độ tín hiệu lớn

Vout VCE

VCCVolts

P_1Tone

PORT1

Freq=1575.42 MHz P=dbmtow(PwrIn) Z=50 Ohm Num=1

Term

Term2

Z=50 Ohm Num=2

R

Rb R=8200 Ohm

R

Rc R=470 Ohm

V_DC

VCC Vdc=1.0 V

DC_Block DC_Block2

DC_Block DC_Block1

DC_Feed DC_Feed1

pb_mot_MMBR941_19961020 Q1

Có hai cách để khảo sát đặc tính phi tuyến của transistor

• Cách thứ nhất sử dụng Harmonic Balance thực hiện tăng công suất tín hiệu đầu vào

(dBm) từ thấp (chế độ tín hiệu nhỏ) cho đến khi đạt đến trạng thái bão hòa để xác định

điểm nén 1dB Công suất tín hiệu đầu ra được tính toán như sau: PwrOut =

dBm(HB.Vout[1]) với HB.Vout[1] là thành phần tần số cơ bản (1575.42 MHz) Độ

khuếch đại đầu ra được tính như sau:

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

m1 PwrIn=

Gain=0.794-45.000

m2 PwrIn=

Gain=-0.306-20.000

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

-2.0

1.0

PwrIn

Readout

m1

-20.000 -0.306

m2

m1 PwrIn=

Gain=0.794-45.000

m2 PwrIn=

Gain=-0.306-20.000

m3 PwrIn=

linear=-19.209-20.000

m4 PwrIn=

Compression HB.PwrOut=-20.306-20.000

-40 -35 -30 -25 -20 -15

-45 -10

PwrIn

Readout

m3

Readout

m4

PwrOut v.s PwrIn

m3 PwrIn=

linear=-19.209-20.000

m4 PwrIn=

Compression HB.PwrOut=-20.306-20.000

• Cách thứ 2 sử dụng khối mô phỏng Gain Compression trong ADS tính trực tiếp công

suất ra và công suất vào tương ứng (dBm) tại điểm nén 1dB

Compression inpwr[1]

-20.475

Compression outpwr[1]

-20.678

Thực hiện phối hợp trở kháng:

Mục tiêu là mạng đầu vào sẽ được phối hợp với thiết bị có trở kháng 50Ω tại tần số RF và

biểu diễn ngắn mạch đối với tần số IF (để ngăn tạp âm từ đầu vào được khuếch đại và ảnh

hưởng đến tín hiệu IF ở đầu ra) Tương tự như vậy, mạng đầu ra phối hợp với trở kháng tải 50

Ω tại tần số IF và biểu diễn ngăn mạch tại tần số RF Sơ đồ được mô tả như trong hình sau:

Để thực hiện phối hợp trở kháng trước hết tính toán các tham số S11 và S22 của mạch mixer thô (chưa thực hiện phối hợp trở kháng)

Bước đầu tiên là tính toán trở kháng vào tại phía RF khi đầu ra được kết cuối ngắn mạch; đồng thời cũng cần tính toán trở kháng ra tại phía IF khi đầu vào được kết cuối ngắn mạch Ở

đây, sử dụng các phần tử của ADS ZIP_Eqn để thực hiện điều này Tại đầu vào, ZIN được thiết

kế trở thành ngắn mạch tại tần số IF và hở mạch tại tần số RF Điều này bảo đảm kết cuối ngắn mạch đầu vào khi tính S22 và bảo đảm S11 không bị ảnh hưởng tại tần số RF Tại đầu ra, ZOUT được thiết kế trở thành ngắn mạch tại tần số RF và hở mạch tại tần số IF để tính toán S11

Ở đây, với thiết kế Single End BJT Mixer, tín hiệu RF và LO cùng được đưa vào cực B của transistor; mặt khác tần số LO và tần số RF gần nhau nên để cách li tín hiệu LO khỏi thành phần RF, ta sử dụng một tụ CLO có trị số nhỏ (CLO= 0.2pF)

Tổn hao ngược tại tần số RF lúc này là : //tính lại ở tần số 1.575

LO

LO f

LO

Z Z

−

+ với Z LO = R LO +Z C LO.

Tổn hao chèn khi có thêm tụ CLO là:

( 2)

LO

Điều này có nghĩa là nếu nguồn tại LO có công suất là -20dBm thì công suất thực đưa vào transistor chỉ là -34.5dBm; lượng công suất tương đối lớn này ở LO dẫn đến việc phải điều chỉnh công suất cung cấp bởi bộ tạo dao động nội

Mạch tính toán trở kháng đầu vào và đầu ra (chưa phối hợp)

Vce

Vce

Vce

Vout Vbe

VARIABLES

SIMULATIONS

S_Param

SP1

Step=1527.68 MHz Start=47.74 MHz S-PARAMETERS

R

RL

R=4700 Ohm

DC_Block

BlkL1

DC_Feed

FdIbe

DC_Block

DC_Block1

DC_Block

BlkL

Term

Term1

Z=50 Ohm

Num=1

Z1P_Eqn

ZOUT

Z[1,1]=Zrf Z1P_Eqn

ZIN

Z[1,1]=Zif

R

LOsrc

R=50 Ohm

C

C_LO

C=0.5 pF

Term

Term2

Z=50 Ohm Num=2

V_DC

VCC

Vdc=1.0 V

DC_Feed

FdIce

R

Rc

R=470 Ohm

R

Rb

R=8.2 kOhm

pb_mot_MMBR941_19961020

Q1

VAR

VAR8

Zif=if freq<100MHz then 0.001 else 1e99 endif Zrf=if freq>100MHz then 0.001 else 1e99 endif

Eqn Var

m1 freq=

RFIFmatch1 S(1,1)=0.662 / -131.438 impedance = Z0 * (0.243 - j0.429) 1.575GHz

freq (47.74MHz to 1.575GHz)

Readout

m1

m1 freq=

RFIFmatch1 S(1,1)=0.662 / -131.438 impedance = Z0 * (0.243 - j0.429)

RFIFmatch1 S(2,2)=0.975 / -1.472 impedance = Z0 * (38.912 - j40.208) 47.74MHz

freq (47.74MHz to 1.575GHz)

Readout

m2

m2 freq=

RFIFmatch1 S(2,2)=0.975 / -1.472 impedance = Z0 * (38.912 - j40.208) 47.74MHz

Kết quả trở kháng đầu vào RF là (12.15-j21.45) Ω và trở kháng đầu ra IF là

(1945.6-j2010.4) Ω

- Phối hợp trở kháng ở đầu vào RF:

Crf=105 pF

Lrf=2.83 nH