BÀI BÁO CÁO-THIẾT KẾ MIXER

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 f LO từ bộ tạo dao động nội. Tín hiệu thu được sau mixer chứa các thành phần tần số f RF ± f LO sau khi qua lọc thông thấp được thành phần f RF – f LO 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 90 0 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 V RF (t) và tín hiệu từ bộ dao động nội V LO (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 ( 1) T V V I I e= − Điện áp đầu vào được biểu diễn như tổng của tín hiệu RF os( ) RF RF RF v V c t ω = và tín hiệu LO os( ) LO LO LO v V c t ω = và một điện áp phân cực V Q : os( ) os( ) Q LO LO RF RF V V V c t V c t ω ω = + + 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 2 2 1 ( ) 2 Q Q Q V V Q dI d I I V I V V I VA V B dV d V     = + + + = + + +         Bỏ qua các thành phần phân cực V Q và I Q , thay biểu thức V vào I(V) thu được: 2 2 2 2 ( ) { os( ) os( )} { os ( ) os ( )} 2 os( ) os( ) RF RF LO LO RF RF LO LO RF LO RF LO I V A V c t V c t B V c t V c t BV V c t c t ω ω ω ω ω ω = + + + + + Có thể viết lại như sau: ( ) { os[( ) ] os[( ) ]} RF LO RF LO RF LO I V BV V c t c t ω ω ω ω = + + + − Như vậy, có thể thấy rằng, đặc tính phi tuyến của diode hoặc transistor tạo các thành phần tần số mới có dạng RF LO ω ω ± . 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 (V 2 B) 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 RF ω một khoảng W ω . Thành phần LO chỉ có một thành phần tần số tại LO ω . 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): RF LO ω ω − - Dải tàn trên (Upper sideband): RF LO ω ω + - Hai dải tần (DSB): ( RF LO ω ω − , RF LO ω ω + ) 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: RF LO IF ω ω ω − = Tuy nhiên, thành phần tần số ảnh cũng được chuyển đổi như sau: ( ) IM LO LO IF LO IF ω ω ω ω ω ω − = − − = − 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 F 1 và F 2 vào đầu vào mixer . Các sản phẩm xuyên nhiễu bậc 3 từ các tone này với thành phần tần số F LO 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 (TOI out ) 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 P nout và P n 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 f RF là tín hiệu mong muốn và f 2 là thành phần tín hiệu thứ hai, quá trình trộn tần tạo ra một thành phần tần số tại 2f 2 -f RF ± f LO 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: V C và I C đã được xác định, chỉ cần tính toán dòng I B . V CC = 1V, I CE = 500uA và I BB 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 SIMULATIONS VARIABLES VAR VAR1 IBB=0 Eqn Var 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: I BB = 5uA, I CC = 500 uA và R b = 8424.296 Ohm, R c = 481.125 Ohm chọn giá trị gần nhất thì R b = 8.4kOhm, R c = 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 [...]... 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... 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... 50 P= dbmtow(-50) Freq= MHz Frf C C_LO C= pF 0.5 C CpIF C= pF 47 Term Term3 Num= 3 Z= Ohm 50 P_1Tone PORT1 Num= 1 Z= Ohm 50 P= dbmtow(LOPwr) Freq= Flo MHz Sơ đồ Mixer đã phối hợp trở kháng CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: • Phổ tần tín hiệu đầu ra của mixer: Vout 0 IF_spectrum m1 m1 freq=47.74MHz IF_spectrum= -38.817 -50 -100 -150 -200 0 2 4 6 8 10 12 freq, GHz • Conversion Gain: Khi giữ cố định PRF = -50 dBm,... lượt là f1=f RF + fspacing và f2 = fRF – fspacing, với fspacing = 100 kHz Kết quả phổ thu được ở đầu ra: m1 freq= 47.79MHz Spectrum= -38.927 0 m1 Spectrum -50 -100 -150 -200 -250 -300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 freq, GHz Có hai cách để xác định IIP3 và OIP3: - Cách 1: Sử dụng trực tiếp khối có sẵn IP3out trong ADS, ta thu được kết quả như sau (đơn vị dBm) freq < invalid> Hz IP3output -1.378 IP3input... OIP3, ta thu được kết quả như sau: freq TOI < invalid> Hz m 1 freq=47.79MHz Spectrum= -38.927 -1.378 1.5*m1-0.5*m 2 Eqn TOI= 0 m2 freq= 47.89MHz Spectrum= -114.025 m1 Spectrum -50 m2 -100 -150 -200 -250 -300 50.0 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 49.4 49.3 49.2 49.1 49.0 48.9 48.8 48.7 48.6 48.5 48.4 48.3 48.2 48.1 48.0 47.9 47.8 47.7 47.6 47.5 47.4 47.3 47.2 47.1 47.0 freq, MHz Như vậy, ta thấy kết quả thu được... match at RF VAR VAR8 Zif=if freq100MHz then 0.001 else 1e99 endif RFIFmatch1 S(2,2) RFIFmatch1 S(1,1) Var Eqn Normalized output impedance to match at IF Kết quả trở kháng đầu vào RF là (12.15-j21.45) Ω và trở kháng đầu ra IF là (1945.6j2010.4) Ω - Phối hợp trở kháng ở đầu vào RF: Crf=105 pF Lrf=2.83 nH - Phối hợp trở kháng ở đầu ra IF: Thực hiện tương... UseKrylov= yes SweepVar= Start= Stop= Step= Other= OutVar= "RFPwr" Options Options1 Temp= 16.85 TopologyCheck= yes V_RelTol= 1e-6 V_AbsTol= I_RelTol= 1e-6 I_AbsTol= GiveAllWarnings= yes MaxWarnings= 10 Kết quả ta thu được hệ số tạp âm là NF= 8.161 dB noisefreq 47.74 MHz nf(2) te(2) 8.161 1608.768 . 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. 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. 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.