Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại công suất thích nghi cho ăng ten đa búp sóng

~ Mixer Local oscillator Antenna Analog input Sơ đồ khối cơ bản của bộ phát vô tuyến Khuếch đại công suất là một phần quan trọng để xây dựng một hệ thống viễn thông thành công, là khâu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐỖ HUY TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT THÍCH NGHI

CHO ĂNG TEN ĐA BÚP SÓNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – Năm 2013

Mục lục

Mục lục 1

LỜI CAM ĐOAN 5

Danh sách các từ viết tắt 6

Danh sách các hình vẽ 7

Danh sách bảng biểu 10

Phần mở đầu 11

Chương 1 Cơ bản về khuếch đại công suất 13

1.1 Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến 13

1.2 Phân loại khuếch đại công suất 15

1.2.1 Khuếch đại công suất lớp A 17

1.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C 22

1.3 Các tham số của bộ khuếch đại công suất 27

1.3.1 Hiệu suất hoạt động 27

1.3.2 Độ lợi 27

1.3.3 Dải động của khuếch đại công suất 27

1.3.4 Độ ổn định của bộ khuếch đại 28

1.3.5 Méo điều chế trong bộ phát 29

1.3.6 Nhiễu 30

1.4 Một số công nghệ transistor sử dụng cho khuếch đại công suất 31

1.4.1 LDMOS (Lateral double-diffused metal oxide semiconductor) 31

1.4.2 HEMT (High Electronic Mobility Transistor) 32

1.5 Khuếch đại Doherty 33

1.6 Cấu trúc khuếch đại Doherty 34

1.7 Nguyên lý hoạt động của khuếch đại Doherty 35

1.7.1 Khái niệm điều biến trở kháng 37

1.7.2 Mạch tương đương của khuếch đại Doherty 38

1.7.3 Chế độ hoạt động ở mức công suất thấp 40

1.7.4 Chế độ hoạt động ở mức công suất trung 41

1.7.5 Chế độ hoạt động công suất đỉnh 42

1.8 Ưu điểm và nhược điểm của khuếch đại Doherty 44

Kết luận chương 45

Chương 2 Phân tích và thiết kế 46

2.1 Giới thiệu 46

2.2 Kiến trúc thiết kế 46

2.3 Lựa chọn lớp hoạt động 47

2.4 Thiết kế bộ khuếch đại đơn 48

2.4.1 Phân tích DC 48

2.4.2 Xác định tải làm việc 50

2.4.3 Phối hợp trở kháng tại đầu vào và đầu ra 54

2.4.4 Mô phỏng mạch khuếch đại đơn 63

2.5 Thiết kế bộ khuếch đại Doherty 69

2.5.1 Bộ chia công suất đầu vào 69

2.5.2 Phân cực cho bộ khuếch đại chính và khuếch đại phụ 71

2.5.3 Mô phỏng mạch khuếch đại Doherty 71

2.6 Layout 76

Kết luận chương 78

Chương 3 Điều khiển công suất 79

3.1 Giới thiệu 79

3.2 Mạch lấy mẫu tín hiệu 80

3.2.1 Mạch ghép tín hiệu 80

3.2.2 Mạng điện trở suy giảm hình π 82

3.3.3 Power detector 83

3.3 Mạch điều khiển 83

3.3.1 Mạch nguyên lý 85

3.3.1.1 Khối mạch nguồn 85

3.3.1.3 Khối mạch LCD 86

3.3.1.4 Khối mạch vi điều khiển PIC18F67J60 87

3.3.2 Bộ suy giảm 88

3.3.3 IC tiền khuếch đại 88

Kết luận chương 89

KẾT LUẬN 90

Tài liệu tham khảo 91

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu.Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS Đào Ngọc Chiến đã tận tình hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận, có sự góp ý

và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với tất cả nội dung trong luận văn này

Tác giả

Đỗ Huy Tùng

Danh sách các từ viết tắt

LDMOS Lateral double-diffused metal oxide semiconductor

HEMT High Electronic Mobility Transistor

LTE Long Term Evolution

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access

OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

HDSPA High-Speed Downlink Packet Access

PAR Peak-to-average ratio

Danh sách các hình vẽ

Hình 1 1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại 13

Hình 1 2: transistor như một nguồn dòng phụ thuộc 14

Hình 1 3: transistor như một chuyển mạch 15

Hình 1 4: Dạng sóng của dòng điện cực máng (a) lớp A (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C 16

Hình 1 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C 17

Hình 1 6: Khuếch đại công suất lớp A 18

Hình 1 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư bước sóng 19

Hình 1 8: Dạng sóng trong khuếch đại công suất lớp A 21

Hình 1 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A 22

Hình 1 10 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C 23

Hình 1 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B 24

Hình 1 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C 25

Hình 1 13: Khuếch đại tín hiệu AM trong lớp AB, B, C (a) lớp AB (b) lớp B (c) lớp C 26

Hình 1 14: Dải động của bộ khuếch đại công suất 28

Hình 1 15: (a) phổ điện áp đầu vào (b) phổ điện áp tín hiệu đầu ra do sinh ra hài 29

Hình 1 16: (a) phổ của điện áp đầu vào (b) một vài thành phần của tín hiệu đầu ra do điều chế qua lại 30

Hình 1 17: Cấu trúc của LDMOS 31

Hình 1 18: Cấu trúc của HEMT 32

Hình 1 19: Công suất và tần số hoạt động trong một vài công nghệ transistor ứng dụng cho khuếch đại công suất 33

Hình 1 20: Cấu trúc khuếch đại Doherty 35

Hình 1 21: Sơ đồ khối đơn giản của khuếch đại Doherty 36

Hình 1 22: Hiệu suất của khuếch đại Doherty 37

Hình 1 23: Mạch điều biến trở kháng tải 38

Hình 1 24: sơ đồ mạch tương đương của khuếch đại Doherty 39

Hình 1 25: Hoạt động của DPA tại chế độ công suất thấp 41

Hình 1 26: Hoạt động của DPA tại chế độ trung 42

Hình 1 27: Hoạt động của DPA tại chế độ đỉnh 43

Hình 2 1: Sơ đồ cấu trúc khuếch đại đơn………46

Hình 2 2: Sơ đồ khối kiến trúc khuếch đại Doherty 47

Hình 2 3: Sơ đồ mô phỏng đặc tuyến DC 48

Hình 2 4: V DS và I DS 49

Hình 2 5: V GS và I DS 50

Hình 2 6: Trở kháng nguồn và trở kháng tải tương đương 51

Hình 2 7: Sơ đồ mô phỏng load-pull 51

Hình 2 8: Giá trị công suất đầu ra với biên độ và pha của hệ số phản xạ thay đổi 52

Hình 2 9: Sơ đồ mô phỏng soure-pull 53

Hình 2 10: kết quả mô phỏng source-pull 53

Hình 2 11: Đường đồng mức Q trên đồ thị Smith 55

Hình 2 14: Sơ đồ mô phỏng pad cực G 57

Hình 2 15: Hệ số S 11 khi có pad cực G 57

Hình 2 16: Phối hợp trở kháng đầu vào dùng đồ thị Smith 58

Hình 2 17: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào 58

Hình 2 18: Mạch phối hợp trở kháng đầu vào trong Momemtum 59

Hình 2 19: Pad cực D 60

Hình 2 20: Sơ đồ mô phỏng pad cực D 60

Hình 2 21: Hệ số S 22 khi có pad cực D 61

Hình 2 22: Phối hợp trở kháng đầu ra dùng đồ thị Smith 61

Hình 2 23: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào 62

Hình 2 24: Mạch phối hợp trở kháng đầu ra trong Momemtum 62

Hình 2 25: Mô phỏng Momentum khuếch đại đơn trong ADS 63

Hình 2 26: Sơ đồ mô phỏng Large-signal 64

Hình 2 27: Kết quả mô phỏng hệ số S 21 64

Hình 2 28: Hệ số S 11 của khuếch đại đơn 65

Hình 2 29: Hệ số S 22 của khuếch đại đơn 65

Hình 2 30: Độ ổn định của mạch khuếch đại đơn 66

Hình 2 31: Hài của khuếch đại đơn 67

Hình 2 32: Tín hiệu vào và tín hiệu ra theo thời gian 67

Hình 2 33: Đồ thị công suất đầu ra theo công suất đầu vào mạch khuếch đại đơn 68

Hình 2 34: Hiệu suất của mạch khuếch đại đơn 69

Hình 2 35: Sơ đồ bộ ghép trong ADS 69

Hình 2 36: Hệ số truyền đạt S 31 và S 21 70

Hình 2 37: Pha của tín hiệu ra tại cổng 2 và cổng 3 của bộ ghép 3dB 70

Hình 2 38: sơ đồ khuếch đại Doherty 71

Hình 2 39: Sơ đồ mạch khuếch đại Doherty trong Momentum 72

Hình 2 40: Sơ đồ mô phỏng LSSP mạch khuếch đại Doherty 73

Hình 2 41: S 21 của mạch khuếch đại Doherty với các giá trị V GS của khuếch đại phụ khác nhau 73

Hình 2 42: S 11 của mạch khuếch đại Doherty với V GS của khuếch đại phụ khác nhau 74

Hình 2 43: S 22 của mạch khuếch đại Doherty với V GS của khuếch đại phụ khác nhau 74

Hình 2 44: Hiệu suất của mạch khuếch đại Doherty với V GS của khuếch đại phụ khác nhau 75

Hình 2 45: Độ lợi của mạch khuếch đại Doherty 75

Hình 2 46: Layout của khuếch đại đơn 77

Hình 2 47: Layout của khuếch đại Doherty 77

Hình 3 1: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển khuếch đại……….……… 79

Hình 3 2: Sơ đồ mạch ghép 80

Hình 3 3: Mô hình bộ ghép trong HFSS 81

Hình 3 4: Kết quả mô phỏng, hệ số S21 và S31 của mạch ghép 82

Hình 3 5: Kết quả mô phỏng hệ số S11 82

Hình 3 6: Sơ đồ mạng điện trở suy giảm hình π 83

Hình 3 7: Sơ đồ khối module Ethernet 84

Hình 3 8: Khối mạch nguồn 85

Hình 3 9: Khối mạch RJ45 85

Hình 3 10: Sơ đồ khối của HR911105A 86

Hình 3 11: Khối mạch LCD 86

Hình 3 12: Jack kết nối với mạch vi điều khiển, mạch dao động ngoài, chân VDDCORE/VCAP 87

Hình 3 13: Mạch lọc, mạch reset, chân nạp cho vi điều khiển 87

Hình 3 14: Sơ đồ khối điều khiển khuếch đại 88

Danh sách bảng biểu

Bảng 1 Bảng tóm tắt các thành phần của khuếch đại Doherty 35

Bảng 2 Các yêu cầu thiết kế ban đầu 47

Bảng 3 Lựa chọn khuếch đại và các chế độ hoạt động của khuếch đại 48

Bảng 4 Giá trị VDS và VGS sử dụng trong mô phỏng ADS 49

Bảng 5 Điện áp hoạt động của LDMOS MRF8S23120H với từng chế độ khuếch đại 50

Bảng 6: Giá trị điểm nén 1 dB của mạch khuếch đại đơn 68

Bảng 7 Điện áp phân cực của khuếch đại Doherty 71

Bảng 8: Giá trị điểm nén 1dB của mạch khuếch đại Doherty với V GS cho khuếch đại phụ là 0.6 V 76 Bảng 9 Bảng tóm tắt các thông số của khuếch đại đơn và Doherty 76

Bảng 10 Thông số kỹ thuật của FR4 76

Bảng 11 Các tham số của mạch ghép 80

Bảng 12 Giá trị của tham số S từ 2.2 đến 2.4 GHz 81

Bảng 13 Giá trị điện trở của mạng suy giảm hình π 83

Phần mở đầu

Trong các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại, đặc biệt hệ thống viễn thông thì công nghệ 4G đang là xu hướng cho tương lai với hai ứng viên là LTE và WiMax Hiện tại thì công nghệ 3G như WCDMA hay HSDPA đang được sử dụng rộng rãi Hình dưới mô tả sơ đồ khối của bộ phát vô tuyến bao gồm bộ tạo dao động nội, bộ trộn, bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại công suất và ăng ten

~

Mixer

Local oscillator

Antenna

Analog input

Sơ đồ khối cơ bản của bộ phát vô tuyến

Khuếch đại công suất là một phần quan trọng để xây dựng một hệ thống viễn thông thành công, là khâu cuối cùng trước khi đưa tín hiệu vào anten.Hiệu suất cao

và độ tuyến tính cao của bộ khuếch đại công suất là điều quan trọng cơ bản trong các hệ thống liên lạc không dây.Hiệu suất cao được đòi hỏi cho sự tiêu thụ năng lượng thấp, thời gian sử dụng pin dài hơn và sự quản lý nhiệt độ.Sự tuyến tính cao được đòi hỏi để đảm bảo tín hiệu qua khuếch đại công suất không bị méo Trong các hệ thống thông tin không dây, có hai loại hệ thống phát là hệ thống phát trạm gốc và hệ thống phát cầm tay Tín hiệu sử dụng trong các hệ thống không dây hiện

LTE, WiMAX, HSDPA hay WCMA thường sử dụng điều chế OFDMA hay QAM nên có tỷ số PAR cao

m-Việc điều khiển công suất của bộ phát vô tuyến được đòi hỏi trong các hệ thống không dây hiện đại Trên thực tế, điều khiển công suất được sử dụng trong cả

bộ phát trạm gốc và những bộ phát cầm tay (điện thoại di động) Trong các bộ phát công suất trạm gốc thì công suất đầu ra cao hơn được đòi hỏi cho việc truyền tín hiệu tới được biên giới của vùng phủ sóng một ăng ten trạm gốc khác Trong các bộ phát cầm tay, tín hiệu đầu ra nên được truyền với nhiều mức khác nhau để mà các mức công suất của tín hiệu nhận được từ các trạm gốc là tương tự nhau cho tất cả các thuê bao

Vì vậy, việc phân tích và thiết kế hệ thống khuếch đại công suất thích nghi cho trạm gốc áp dụng vào công nghệ 4G và 3G được thực hiện trong luận văn này.Luận văn đi vào nghiên cứu và thiết kế hệ thống khuếch đại công suất sử dụng cấu trúc Doherty để nâng cao hiệu suất so với bộ khuếch đại đơn ở tần số làm việc

là 2.3 GHz, với công suất đầu ra tại điểm nén 1dB là lớn hơn hoặc bằng 40W.Việc điều khiển công suất đầu ra dựa vào việc điều khiển công suất tín hiệu đầu vào được phân tích.Transistor khuếch đại công suất được chọn sử dụng công nghệ LDMOS phù hợp cho bộ khuếch đại công suất đối với trạm gốc.Luận văn gồm 03 chương: Chương 1 giới thiệu những khái niệm cơ bản về khuếch đại công suất Chương 2 trình bày về việc phân tích thiết kế bộ khuếch đại công suất.Chương 3 trình bày về phần điều khiển công suất

Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đào Ngọc Chiến đã chỉ dạy tận tình và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, thầy cô và bạn bè trong phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông, những người đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn

Chương 1 Cơ bản về khuếch đại công

suất

Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại công suất, miêu tả trong hình 1.1, bao gồm một transistor (MOSFET, MESFET, BJT,…), hệ thống mạch đầu vào, đầu ra,

và cuộn cảm kháng cao tần Trong bộ khuếch đại công suất cao tần, một transistor

-V I

Hình 1 1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại

Khi transistor hoạt động giống như nguồn dòng phụ thuộc, dạng sóng của dòng điện cực máng được xác định bởi dạng sóng của điện áp đặt vào cực cửa, điểm hoạt động của transistor và trở kháng tải.Do transistor phải hoạt động trong vùng

transistor) Độ lớn của dòng điện cực máng và điện áp cực máng là gần như tỷ lệ với độ lớn của điện áp cực cửa nên chế độ hoạt động này phù hợp với những khuếch đại công suất tuyến tính

Hình 1 2: Transistor như một nguồn dòng phụ thuộc

Khi transitor hoạt động như một chuyển mạch,transitor hoạt động trong vùng ohmic khi đóng và trong vùng khóa khi mở Để duy trì hoạt động trong vùng ohmic, transistor đòi hỏi VDS <VGS – Vt Nếu VGS được tăng tại một trở kháng tải cho trước, biên độ của VDS sẽ tăng làm cho transistor ban đầu hoạt động trong vùng bão hòa sau đó chuyển sang vùng ohmic.Trong hầu hết các ứng dụng, transistor hoạt động như một chuyển mạch được điều khiển bởi một điện áp dạng hình chữ nhật tại cực cửa Tại miền tần số cao, nơi mà rất khó để sinh ra những điện áp có dạng hình chữ nhật thì điện áp tại cực cửa dạng hình sin được sử dụng để điều khiển một transistor hoạt động như một chuyển mạch.Việc sử dụng transistor như là một chuyển mạch nhằm đạt được hiệu suất khuếch đại cao.Khi transistor dẫn một dòng điện cực máng cao, điện áp cực máng là thấp, dẫn đến sự tổn hao công suất thấp

Nếu transistor được điều khiển bởi điện áp VGS dạng hình sóng sin với biên

độ cao, nó hoạt động trong vùng bão hòa khi giá trị tức thời của VGS thấp và hoạt động như một chuyển mạch khi giá trị tức thời của VGS cao

Hình 1 3: Transistor như một chuyển mạch

Chức năng chính của mạng đầu ra là: chuyển đổi trở kháng, loại bỏ hài, lọc phổ tín hiệu trong băng tần sử dụng để tránh giao thoa với các tín hiệu thông tin khác với các kênh liền kề

Sự phân loại của khuếch đại công suất với một transistor hoạt động như là một nguồn dòng phụ thuộc dựa vào góc dẫn 2θ của dòng điện cực máng

Trong lớp A, góc dẫn 2θ là 3600,điện áp VGS phải cao hơn điện áp ngưỡng của transistor Vt, tức là VGS > Vt Điều này đạt được bằng cách chọn thành phần một chiều của VGS lớn hơn mức ngưỡng Vt phù hợp, VGS – Vgsm> Vt (Vgsm là biên độ của thành phần xoay chiều của của điện áp cực cửa Dòng điện cực máng một chiều IDphải lớn hơn biên độ của thành phần xoay chiều Im của dòng điện cực máng Khi đó transistor sẽ dẫn cảchu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3 (a)

Trong lớp B, góc dẫn là 1800 Thành phần một chiều VGS bằng với điện áp ngưỡng V và dòng điện phân cực của cực máng I bằng 0 Do đó, transistor sẽ dẫn

Hình 1 4:Dạng sóng của dòng điện cực máng (a) lớp A (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C.

Trong lớp AB, góc dẫn nằm giữa 1800 và 3600 Thành phần một chiều VGSlớn hơn so với Vt không đáng kể và transistor được phân cực tại một nguồn dòng điện cực máng ID nhỏ Lớp AB là lớp giữa lớp A và lớp B.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3 (c)

Trong lớp C, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800 Điểm hoạt động nằm trong vùng cut-off bởi vì VGS< Vt Dòng điện phân cực ID là bằng 0 Transistor dẫn nhỏ hơn một nửa chu kỳ.Dạng sóng của tín hiệu ra được biểu diễn trên hình 1.3 (d)

Hoạt động của lớp A, AB, và B được sử dụng trong khuếch công suất âm thanh và trong tần số vô tuyến, trái lại lớp C chỉ sử dụng trong khuếch đại công suất trong miền tần số vô tuyến

Hình 1 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C

Transistor hoạt động như một chuyển mạch dùng trong lớp D, E, DE của khuếch đại công suất trong miền tần số vô tuyến.Trong lớp F, transistor có thể hoạt động hoặc là một nguồn dòng phụ thuộc hoặc là một chuyển mạch

1.2.1 Khuếch đại công suất lớp A

Khuếch đại công suất lớp A là một bộ khuếch đại tuyến tính Một bộ khuếch đại tuyến tính sinh ra một bản sao của dạng sóng điện áp hay dòng điện đầu vào Nó cung cấp sự tái tạo chính xác của cả về hình bao và pha của tín hiệu đầu vào Do đó, hiệu suất của lớp A là rất thấp

Bộ khuếch đại công suất lớp A bao gồm một transistor, một cuộn cảm kháng cao tần, một mạch L-C song song, và một tụ ghép C Điểm hoạt động nằm trong vùng bão hòa Tại tần số cộng hưởngfo, dòng điện cực máng ID và điện áp cực máng

ra sự méo hài và méo liên điều chế thấp Biên độ của các hài trong điện áp đầu ra là rất thấp Do đó, nó phù hợp cho khuếch đại tín hiệu điều biên Trong khuếch đại lớp

A băng hẹp, mạch L-C song song sử dụng như là một bộ lọc thông dải để chặn các hài sinh ra và cho phép phổ tín hiệu băng hẹp đi qua Trong khuếch đại lớp A băng rộng thì bộ lọc là không cần thiết

Hình 1 6: Khuếch đại công suất lớp A

Cuộn cảm kháng cao tần có thể thay thế bẳng một đường truyền vi dải λ/4 Trở kháng vào của đường truyền được tính theo công thức:

(1.1)

Trở kháng tải của đường truyền vi dải dưới dạng kết hợp với một tụ lọc của nguồn công suất tại tần số hoạt động là rất thấp, gần như ngắn mạch Do đó, đầuvào

trở kháng của đường truyền vi dải tại cực máng cho thành phần chính của dòng điện cực máng là rất cao, gần như hở mạch

Hình 1 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư

bước sóng

Độ gợn của dòng diện trong cuộn cảm cao tần Lf là thấp, ít nhất là nhỏ hơn

10 lần so với thành phần một chiều II Vì thế, XLf>> R, dẫn đến:

Tụ ghép đủ lớn để mà thành phần xoay chiều của nó là gần như bằng 0 Bởi

vì thành phần một chiều của điện áp đi qua L trong trạng thái ổn định là 0, điện áp

Với VGS là điện áp phân cực của cực cửa, Vgsm là biên độ của thành phần xoay chiều đưa vào cực cửa, và là tần số góc hoạt động Để giữ cho transistor hoạt động trong vùng bão hòa mọi lúc thì phải thỏa mãn điều kiện sau:

Dòng điện tại cực máng trong bộ khuếch đại lớp A là:

(1.7) Với

µn0 là sự chuyển động của electron bề mặt trường thấp, Cox = ϵ ox/tox là điện dung oxit trên diện tích đơn vị của tụ điện cực cửa, tox là độ dày lớp oxit, ϵ ox = 0.345 pF/cm là hằng số điện môi oxit silic, L là chiều dài kênh, W là độ rộng kênh

Dòng điện cực máng được biểu diễn

(1.10) Dòng điện ra tại tần số hoạt động sẽ là

Điện áp tại cực máng sẽ là

(1.12) Điện áp đầu ra là

Công suất cực máng tức thời được tính theo công thức

Công suất tiêu tán tức thời trong transistor tính theo công thức

(1.15)

Hệ thống thông tin không dây hiện đại sử dụng khuếch đại công suất để khuếch đại tín hiệu có đường bao thay đổi.Bộ khuếch đại tuyến tính được sử dụng

để khuếch đại những tín hiệu có đường bao thay đổi, như là tín hiệu điều biên

Tín hiệu được điều chế tại đầu vào của khuếch đại công suất là

Hình 1 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A

1.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C

Khuếch đại công suất lớp B bao gồm một transistor và một mạch cộng hưởng song song.Transistor hoạt động như nguồn dòng phụ thuộc.Góc dẫn của dòng cực máng trong lớp B là 1800 Hiệu suất của khuếch đại lớp B cao hơn so với

khuếch đại lớp A Mạch khuếch đại lớp C cũng giống như khuếch đại lớp B Tuy nhiên, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800 Lớp B và lớp C thường được sử dụng cho khuếch đại ở miền tần số vô tuyến

Hình 1 10: Khuếch đại công suất lớp AB, B, C

Điểm hoạt động của lớp B nằm tại bờ giữa vùng khóa và vùng bão hòa Thành phần một chiều VGS = Vt Do đó, góc dẫn 2θ là 1800 Transistor hoạt động như nguồn dòng phụ thuộc điện áp điều khiển.Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong khuếch đại công suất lớp B trong hình 1.10

Trong mạch khuếch đại công suất lớp C, điểm hoạt động nằm trong vùng khóa.Thành phần một chiều VGS< Vt Do đó, góc dẫn nhỏ hơn 180 0

Hình 1 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B

Hình 1 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C

Đối với góc dẫn trong khoảng , ta có khuếch đại lớp AB Khuếch đại lớp AB, B và C có thể sử dụng để khuếch đại những tín hiệu có đường

bao biến đổi, như là tín hiệu điều biên Thành phần xoay chiều của điện áp cực cửa tín hiệu điều biên là

Sự lựa chọn lớp hoạt động, tức là, điểm hoạt động Q, có tác động quan trọng lên méo phi tuyến của những tín hiệu có đường bao biến đổi trong khuếch đại cống suất ở miền tần số vô tuyến

Hình 1 13: Khuếch đại tín hiệu AM trong lớp AB, B, C (a) lớp AB (b)

lớp B (c) lớp C

1.3 Các tham số của bộ khuếch đại công suất

1.3.1 Hiệu suất hoạt động

Nguồn cung cấp một chiều của một bộ khuếch đại công suất

1.3.3 Dải động của khuếch đại công suất

Khi công suất đầu vào Pi tăng, công suất đầu ra đạt trạng thái bão hòa, gây ra

sự nén độ lợi công suất Tại điểm mà độ lợi công suất của bộ khuếch đại phi tuyến lệch so với khuếch đại công suất tuyến tính lý tưởng 1 dB được gọi là điểm nén 1

dB Nó được sử dụng như một đơn vị đo khả năng điều khiển công suất Công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB sẽ là

Go là độ lợi công suất của bộ khuếch đại tuyến tính lý tưởng và G1dB là độ lợi công suất tại điểm nén 1 dB

Dải động của một bộ khuếch đại công suất là vùng mà bộ khuếch đại đạt được độ lợi công suất tuyến tính Nó được định nghĩa là vùng sai khác giữa công suất đầu ra Po(1dB) và công suất đầu ra nhỏ nhất có thể phát hiện được Pomin

Hình 1 14:Dải động của bộ khuếch đại công suất

1.3.4 Độ ổn định của bộ khuếch đại

Độ ổn định của một bộ khuếch đại công suất là sự suy xét quan trọng trong một thiết kế và có thể xác định từ tham số S, mạng phối hợp trở kháng.Trong mạng hai cửa, dao động có thể xảy ra hoặc khi cổng đầu vào hay cổng đầu ra biểu diễn một giá trị điện trở âm Điều này xảy ra khi | | hay | |

Để xác định độ ổn định của một bộ khuếch đại ta có thể dựa vào hệ số K

1.3.5 Méo điều chế trong bộ phát

Trong bộ khuếch đại công suất chứa một transistor, transistor này hoạt động phi tuyến dưới điều kiện tín hiệu lớn hay công suất lớn.Dòng điện cực máng iD là hàm phi tuyến của vGS Do đó, khuếch đại công suất sinh ra những thành phần không xuất hiện tại tín hiệu đầu vào Quan hệ giữa điện áp ra vo và điện áp vào vi có thể biểu diễn theo chuỗi Taylor như sau

Bộ khuếch đại phi tuyến sinh ra hai dạng tín hiệu không mong muốn là

 Hài của tần số sóng mang

 Tích của sự điều biên qua lại

Thành phần méo phi tuyến có thể làm sai lệch tín hiệu mong muốn.Méo do hài của sóng mang xảy ra khi một tín hiệu sin đơn tần được đưa vào đầu vào bộ khuếch đại công suất Méo do sự điều chế qua lại xảy ra khi hai hay nhiều tần số đưa vào đầu vào bộ khuếch đại công suất

Hình 1 16: (a) Phổ của điện áp đầu vào (b) Một vài thành phần của

tín hiệu đầu ra do điều chế qua lại

1.3.6 Nhiễu

Trong bộ khuếch đại công suất, thậm chí khi không có tín hiệu đầu vào thì vẫn xuất hiện một điện áp đầu ra, tín hiệu công suất đầu ra này được xem là công suất nhiễu khuếch đại.Công suất nhiễu đầu ra khuếch đại công suất của tổng tín hiệu nhiễu đầu vào

Hệ số nhiễu F được tính theo công thức (1.29)

trước ăng ten, nên ảnh hưởng nhiễu của bộ khuếch đại công suất là rất nhỏ trong toàn bộ hệ thống phát tín hiệu

1.4.1 LDMOS (Lateral double-diffused metal oxide semiconductor)

LDMOS là chế độ tăng cường kênh N của MOSFET LDMOS được thiết kế cho hoạt động ở điện áp cao với điện dung ký sinh thấp để có thể hoạt động ở tần số cao Chiều dài của kênh thường được xác định bởi những đặc tính cao tần của transistor LDMOS, với kênh có chiều dài ngắn hơn thì sẽ cải thiện được độ tuyến tính [5].Công nghệ LDMOS được dự định để thay thế transistor lưỡng cực trong nhiều ứng dụng viễn thông công suất cao Nó được thiết kế để đạt được độ lơi tốt hơn, méo do sự điều chế qua lại thấp hơn và hiệu suất hoạt động cao hơn trong dải động lớn hơn [5]

Hình 1 17: Cấu trúc của LDMOS

Hiện tại, công nghệ LDMOS 30V và 50V cùng tồn tại trên thị trường

ứng.Giới hạn công suất từ một vài watts cho đến một vài nghìn watts.Tần số hoạt động từ 1 MHz lên đến 4 GHz

LDMOS được dùng cho các ứng dụng khuếch đại công suất cho anten trạm gốc, phù hợp với cấu trúc Doherty và dùng cho các ứng dụng quảng bá

1.4.2 HEMT (High Electronic Mobility Transistor)

HEMT là một transistor trường kết hợp mối ghép giữa hai vật liệu có độ rộng bandgap khác nhau như là một kênh thay cho vùng khuếch tán.Điện áp phân cực đưa vào cực cửa được sử dụng để điều chỉnh electron trong kênh hình thành từ 2DEG và đổi lại việc này sẽ điều khiển độ dẫn điện của thiết bị [5]

Tần số hoạt động lên đến hơn 600 GHz Nguồn một chiều cung cấp là 50 V [13]

Hình 1 18: Cấu trúc của HEMT

Cấu trúc HEMT thường được dùng cho các bộ khuếch đại tạp âm thấp, khuếch đại công suất, bộ tạo dao động và bộ trộn hoạt động ở tần số lên tới 60 GHz

Nó còn có thể dùng cho các ứng dụng trong miền tần số vô tuyến đòi hỏi sự kết hợp giữa nhiễu thấp và hiệu suất cao Hình 1.8 miêu tả tần số hoạt động và công suất đầu ra của các transistor

Hình 1 19: Công suất và tần số hoạt động trong một vài công nghệ

transistor ứng dụng cho khuếch đại công suất

1.5 Khuếch đại Doherty

William H.Doherty, thuộc phòng thí nghiệm Bell, là người đầu tiên đưa ra cấu trúc khuếch đại Doherty vào năm 1936 [6].Cấu trúc Doherty là một cấu trúc khuếch đại công suất nhằm đạt được hiệu suất cao trong vùng hoạt động tuyến tính, thường được sử dụng trong các ứng dụng trạm gốc BTS.Thông thường ở những hệ thống khuếch đại công suất khác để đạt hiệu suất hoạt động cao nhất thì công suất đầu ra nằm gần với điểm nén 1 dB Với những hệ thống tiêu chuẩn GSM sử dụng công nghệ GMSK thì đây có thể coi là một ưu điểm, vì đường bao của tín hiệu điều chế GMSK không thay đổi, đảm bảo cho hệ thống khuếch đại công suất hoạt động gần như bão hòa và không bị méo Tuy nhiên, với những tiêu chuẩn hiện đại như WCMA, LTE, sử dụng những công nghệ điều chế QAM, OFDM để tốc độ truyền

dữ liệu cao hơn.Vì những công nghệ này sinh ra những tín hiệu có đường bao biến

nhằm giúp ngăn ngừa sự chồng phổ của các thành phần biên và sự giao thoa giữa các kênh liền kề Do đó, việc đạt được hiệu suất cao là rất khó

Khuếch đại công suất của tín hiệu điều biên có hai hạn chế chính.Đầu tiên, tín hiệu điều chế bị méo khi khuếch đại công suất sử dụng tại mức công suất lớn nhất.Thứ hai, hiệu suất lớn nhất chỉ đạt được tại một mức công suất nhất định Giải pháp cho hai vấn đề trên là việc triển khai những cấu trúc tăng cường hiệu suất

Thực tế có một vài cấu trúc được sử dụng để nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống khuếch đại công suất, nhưng khuếch đại Doherty được xem như là lựa chọn phù hợp nhất bởi vì những công nghệ khác như EER (Envelope Elimination and Restoration), LINC (Linear amplification using Non-linear components), ET (Envelope Tracking) gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình triển khai, hơn nữa chi phí lắp đặt những hệ thống này là khá tốn kém

Với khuếch đại công suất cho BTS thì hệ thống đòi hỏi sự tuyến tính cao để khuếch đại những tín hiệu có tỷ số tín hiệu đỉnh trên trung bình (PAR) cao nhằm tránh hiện tượng méo tín hiệu Để thỏa mãn những yêu cầu về tuyến tính thì bộ khuếch đại công suất thường được phân cực ở lớp A hay lớp AB và thường hoạt động trong miền có công suất đầu ra nhỏ công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB là 6dB Một đòi hỏi khác cho bộ khuếch đại công suất đối với các hệ thống không dây hiện đại là hiệu suất cao.Cấu trúc khuếch đại Doherty đã đáp ứng những đòi hỏi này

Bộ khuếch đại Doherty bao gồm một khuếch đại công suất chính và một khuếch đại công suất phụ nối với nhau bằng một đường truyền vi dải chiều dài λ/4 như trong hình 1.20 Bộ khuếch đại công suất chính thường được phân cực ở lớp

AB và bộ khuếch đại công suất phụ được phân cực ở lớp C Tại đầu ra của bộ khuếch đạichính nối với một đường truyền vi dải λ/4,do đó để bù sự lệch pha 900 so với khuếch đại chính thì tại đầu vào của bộ khuếch đại phụ dùng một đường truyền

vi dải λ/4 Transistor công suất trong cả hai bộ khuếch đại đều hoạt động như một

nguồn dòng phụ thuộc Khi công suất đầu vào tăng dần thì tại một giá trị nào đó thì

bộ khuếch đại công suất chính sẽ đạt trạng thái bão hòa, lúc đó thì độ lợi của sẽ giảm dần Gọi điểm mà tại đó bộ khuếch đại công suất chính đạt trạng thái bão hòa

là PT Khi công suất ra vượt mức PT thì bộ khuếch đại phụ sẽ bắt đầu hoạt động Do

đó, cấu trúc khuếch đại công suất Doherty đạt được hiệu suất cao với tín hiệu đầu vào có tỷ số tín hiệu đỉnh trên trung bình (PAR) nằm trong khoảng từ 6 đến 10 dB

Khuếch đại chính Hoạt động ở chế độ AB Sử dụng LDMOS

Khuếch đại phụ Hoạt động ở chế độ C Sử dụng LDMOS

Đường truyền vi dải Chiều dài λ/4 Dùng công nghệ mạch vi dải

Bảng 1: Bảng tóm tắt các thành phần của khuếch đại Doherty

-Hình 1 20: Cấu trúc khuếch đại Doherty

Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống Doherty hai tầng được mô tả trong hình 1.21 gồm hai thành phần cơ bản là sử dụng hai (hay nhiều hơn) khuếch đại công suất và đường truyền λ/4 Một cách lựa chọn khác là có thể thay đường truyền λ/4 bằng các mạng đảo ngược trở kháng như mạng hay [1]

Tại mức công suất đầu ra thấp, P < PT, PA#2 sẽ bị khóa và PA#1 hoạt động như là một nguồn dòng phụ thuộc giống khuếch đại lớp AB Trở kháng nhìn từ bộ

chuyển đổi PT Trong hệ thống khuếch đại Doherty, điện áp chuyển đổi là bằng một nửa so vơi điện áp đầu ra lớn nhất Kết quả là dẫn đến hiệu suất bộ khuếch đại đạt cực đại tại cả điểm chuyển đổi PT và điểm đạt được công suất đỉnh, dẫn đến hiệu suất trung bình đối với tín hiệu điều biên là lớn nhất

Bộ chia công suất Vi

I 1

I 2

I 3

I o

Hình 1 21: Sơ đồ khối đơn giản của khuếch đại Doherty

Tại mức đầu ra trên điểm chuyển đổi, PT< P, PA#2 hoạt động như một nguồn dòng phụ thuộc trong khi PA#1 duy trì trong trạng thái bão hòa Vì PA#2 hoạt động nên dòng điện qua tải tăng, trở kháng nhìn từ phía đầu ra của bộ ghép λ/4 là lớn hơn

so với trở kháng tải và tăng dần theo công suất tại đầu ra PA#2 Do sự đảo ngược trở kháng bởi đường truyền vi dải λ/4 nên trở kháng tải tại PA#1 giảm, dẫn tới công suất đầu ra tăng

Trong miền công suất hoạt động ở mức trung bình, hiệu suất của PA#1 duy trì giá trị lớn nhất của nó, do PA#1 đạt trạng thái bão hòa Hiệu suất của PA#2 tăng

từ một nửa của giá trị lớn nhất tại điểm chuyển đổi tới giá trị lớn nhất của nó tại giá trị điện áp vào cực đại Do đó, khuếch đại Doherty đạt hiệu suất cực đại tại cả điểm chuyển đổi và tại điểm đạt được công suất đỉnh

Hình 1 22: Hiệu suất của khuếch đại Doherty

1.7.1 Khái niệm điều biến trở kháng

Trở kháng tải của nguồn dòng có thể được điều biến bằng cách đưa vào tải một dòng điện từ một nguồn dòng khác.Trong hình 1.23, nguồn dòng I1 biểu diễn transistor của một khuếch đại công suất hoạt động như một nguồn dòng.Tương tự như vậy, dòng điện I2 biểu diễn một transistor của một khuếch đại công suất khác hoạt động như một nguồn dòng

Hình 1 23: Mạch điều biến trở kháng tải

Do đó, trở kháng tải nhìn từ nguồn dòng I1 là phụ thuộc vào dòng I2 Nếu dòng I1 và I2 cùng pha, điện áp tải V sẽ tăng, dẫn tới trở kháng tải nhìn từ nguồn dòng I1 cao hơn

1.7.2 Mạch tương đương của khuếch đại Doherty

Hình 1.24 biểu diễn sơ đồ mạch tương đương của khuếch đại Doherty Dòng điện cực máng đạt cực đại tương ứng với điện áp cực cửa cực đại trong khuếch đại lớp A, AB, B, C Công suất đầu ra lớn nhất đạt được tại giá trị lớn nhất của dòng điện cực máng I1max Biên độ của điện áp cực máng cũng đạt giá trị lớn nhất tại công suất đầu ra lớn nhất Po(max) Trở kháng nhìn bởi nguồn ở cực máng tại tần số hoạt động ở P

(1.39)

Với Z0 là trở kháng đặc tính của đường truyền Khi R3 tăng thì R1 giảm

Hình 1 24: sơ đồ mạch tương đương của khuếch đại Doherty

Trở kháng tải của bộ chuyển đổi λ/4 là

1.7.3 Chế độ hoạt động ở mức công suất thấp

Tại chế độ hoạt động này, PA#2 sẽ bị khóa và chỉ có PA#1 hoạt động, trở kháng tại PA#1 sẽ là