Đề tài THIẾT kế bộ KHUẾCH đại tạp âm THẤP (LNA) CHO tần số FM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) CHO TẦN SỐ FM Nhóm thực hiện: Nhóm 11 Số điện thoại nhóm trưởng: 0989752341 Gmail nhóm trưởng: tuanplssc@gmail.com Mã lớp: 116280 Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Mạnh Tiến 20172845 ĐTVT.05 - K62 Nguyễn Thu Quyên 20172779 ĐTVT.05 - K62 Nguyễn Quang Tuấn 20172890 ĐTVT.05 - K62 Ngô Thị Hương 20172601 ĐTVT.07 - K62 Đỗ Hồng Sơn 20172790 ĐTVT.05 - K62 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang Hà Nội, – 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) CHO TẦN SỐ FM Nhóm thực hiện: Nhóm 11 Số điện thoại nhóm trưởng: 0989752341 Gmail nhóm trưởng: tuanplssc@gmail.com Mã lớp: 116280 Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Mạnh Tiến 20172845 ĐTVT.05 - K62 Nguyễn Thu Quyên 20172779 ĐTVT.05 - K62 Nguyễn Quang Tuấn 20172890 ĐTVT.05 - K62 Ngô Thị Hương 20172601 ĐTVT.07 - K62 Đỗ Hồng Sơn 20172790 ĐTVT.05 - K62 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Quang Hà Nội, – 2020 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, dưới phát triển khoa học công nghệ, tần số vô tuyến (RF) thị trường thiết bị không dây mở rộng điến mức tưởng tượng Các thiết bị sử dụng tần số sóng vô tuyến điện thoại di động thâm nhập vào khía cạnh cuộc sống chúng ta, từ mặt hàng xa xỉ đến đồ dùng thiết yếu Các công ty bán dẫn hệ thống, nhỏ lớn, tương tự kỹ thuật số, thấy thống kê phấn đấu để chiếm thị phần riêng họ cách giới thiệu sản phẩm RF khác Thiết kế RF độc đáo chỗ nó dựa nhiều ngành không liên quan đến mạch tích hợp (IC) Các kiến thức RF phát triển khoảng một kỷ, tạo sở tri thức dường vô tận dành cho người mới để tiếp tục học tập phát triển [1] Với mục đích phục vụ học tập mơn học Điện tử tương tự II dưới hướng dẫn TS Nguyễn Anh Quang, nhóm chúng em thực đề tài “Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sử dụng tần số FM” Đây một đề tài ứng dụng kiến thức RF hoàn toàn có ý nghĩa thực tế Dù có nhiều cố gắng chắn đề tài nhiều hạn chế nhiều mặt, nhóm em rất mong thầy bạn đóng góp ý kiến xây dựng để đề tài hoàn thiện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH .5 DANH MỤC BẢNG BIỂU .6 TÓM TẮT ĐỀ TÀI CHƯƠNG GIỚI THIỆU .8 1.1 Tổng quan 1.2 Mục tiêu phạm vi 1.3 Các thuật ngữ viết tắt .8 1.4 Môi trường hoạt động CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Cấu trúc truyền dẫn .10 2.2 Vai trị bợ LNA .11 2.3 Các thông số bộ LNA 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ .16 3.1 Các yêu cầu thông số kỹ thuật 16 3.2 Quy trình thiết kế LNA 16 3.2.1 Quy trình thiết kế LNA .16 3.2.2 Đặc điểm transitor 16 3.3 Thiết kế LNA .17 3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor 17 3.3.2 Mạch LNA 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN .22 4.1 Kết quả 22 4.2 Kết luận 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .23 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc truyền dẫn Super-heterodyne 10 Hình 1.2: Điểm nén 1-dB 15 Hình 1.3: Điểm chặn thứ 15 Hình 3.1: Sơ đồ mạch kiểm tra đợ ổn định BFP720 .17 Hình 3.2: Đồ thị S11 .18 Hình 3.3: Đồ thị S12 .18 Hình 3.4: Đồ thị S21 .19 Hình 3.5: Đồ thị S22 .19 Hình 3.6: Mạch mơ LNA ADS 20 Hình 3.7: Đồ thị NF .20 Hình 3.8: Đồ thị Gain 21 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thuật ngữ viết tắt TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài trình bày tập trung trình bày lý thuyết mạch LNA thiết kế mô mạch LNA cho tần số FM phần mềm ADS (Advance Design System) Đề tài chia làm bốn chương sau: Chương Giới thiệu chung Chương Cơ sở lý thuyết Nợi dung chương trình bày lý thuyết bản bợ LNA: cấu trúc truyền dẫn, vai trị, tham số S thông số bộ LNA Chương Thiết kế Nợi dung Chương trình bày cách thiết kế bộ LNA cho tần số FM minh họa phần mềm ADS Chương Kết luận CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan LNA (Low Noise Amplifier) mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng rộng rãi hệ thống viễn thơng khơng dây đặc tính khuếch đại tín hiệu RF chúng mà khơng có tạp âm Lĩnh vực phổ biến ứng dụng không dây đó ISM (Industrial, Science and Medical) Cộng đồng kỹ dành quan tâm cao đến thiết bị RF thiết kế liên tục thiết bị tương thích với băng tần mạng khơng dây LAN, Bluetooth, Wifi tất cả hoạt động dải tần số 2.4-2.5GHZ Thiết kế LNA vẫn một thử thách chúng yêu cầu tạp âm thấp (Low Noise), hệ số khuếch đại (Gain) cao với đó tiêu hao lượng thấp tuyến tính cao Vì đó thơng số có vai trị định độ nhạy nhận 1.2 Mục tiêu và phạm vi Mục tiêu nhóm đặt thiết kế bộ LNA cụ thể sau: • Đợ tuyến tính LNA cao • Thiết kế mơ ADS (Advanced Design System) • Tối ưu hóa LNA • Tối ưu hóa đợ tuyến tính • Đánh giá nhiễu ảnh, hệ số khuếch đại, hệ số phản xạ đầu vào đầu 1.3 Các thuật ngữ viết tắt Trong báo cáo, nhóm có sử dụng một số từ ngữ viết tắt Bảng 1.1 mơ tả trình bày thuật ngữ đó Bảng 1.1: Các thuật ngữ viết tắt Từ ngữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt LNA Low Noise Amplifier Mạch khuếch đại tạp âm thấp RF Radio Frequency Tần số vô tuyến NF Noise Figure Hệ số tạp âm G Gain Hệ số khuếch đại IMS Industrial, Science , Medical Công nghiệp, khoa học , y học LO Local Oscillator Bộ dao động IF Intermediary Frequency Tần số trung tâm BPF Band Pass Filter Lọc thông dải 1.4 Môi trường hoạt động Báo cáo thực mô LNA tần số FM 100MHz thiết kế sử dụng mạng phối hợp trở kháng đầu vào đẩu Mô mạch thực sử dụng ADS (Advanced Design System) từ công nghệ KEYSIGHT, thành phần lý tưởng kết thúc mô giá trị thật Để thiết kế LNA, transistor phù hợp cần chọn Thêm vào đó, LNA dùng để đánh giá cho độ tuyến tính tḥc tính phức tạp điều chế tín hiệu RF CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc truyền dẫn Máy thu tín hiệu super-heterodyne mợt mơ hình máy thu sử dụng phổ biến với rất nhiều ứng dụng rộng rãi từ máy thu phát thông tin vô tuyến hai chiều nhiều hệ thống thông tin di động Hình 1.1: Cấu trúc truyền dẫn Super-heterodyne [1] Sơ đồ khối máy thu Super-heterodyne thể hình 1.1 Sóng điện từ xạ tín hiệu RF nhận anten, tín hiệu sau đó qua bợ lọc thơng dải (Bandpass Filter – BPF) để lọc tín hiệu khơng mong muốn q trình truyền khỏi tín hiệu mong muốn (desired signal) Sau qua BPF, tín hiệu RF nhận thường rất nhỏ nên ta cần sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier – LNA) với chức khuếch đại tín hiệu đồng thời giảm tạp âm có thể thêm vào tín hiệu Đầu LNA với tín hiệu LO (Local Oscillator) cung cấp vào mạch trộn (Mixer) để chuyển đổi xuống tần số thấp gọi tần số trung gian (Intermediary frequency – IF) Tần số IF chọn mức gần với tần số đầu vào tín hiệu RF cho tần số tín hiệu đầu IF tương đối thấp Bộ lọc IF lọc tần số không mong muốn khỏi IF IF tiếp tục khuếch đại giải điều chế để thu đầu 10 Như qua cấu trúc truyền dẫn phía ta phần biết vị trí vai trị bợ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) máy thu tín hiệu Các phần tìm hiểu làm rõ vấn đề bợ LNA 2.2 Vai trị LNA Bộ LNA thường nằm tầng máy thu, đóng mợt vai trị quan trọng hiệu suất tổng thể máy thu Trước tiên tín hiệu nhận anten máy thu thường rất nhỏ nên ta mong muốn có thể khuếch đại tín hiệu để dễ dàng xử lý chúng Do đó ta cần một bộ khuếch có thể thực công việc trên, linh kiện bộ khuếch đại khối khác thường có tạp âm (Noise) – lại nguyên nhân giới hạn hiệu suất hệ thống RF Nếu không có tạp âm, một máy thu RF có thể phát tín hiệu nhỏ bất kỳ, cho phép truyền thông qua khoảng cách lớn bất kỳ Một điều tạp âm vào tín hiệu rất khó loại bỏ tạp âm khỏi tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Để tính tốn ảnh hưởng tạp âm, người ta thường sử dụng hệ số tạp âm Noise Figure (NF) q trình tính tốn NF xác định công thức: NF = 𝑆𝑁𝑅𝑖𝑛 (2.1) 𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡 Mục đích hệ số NF để xác định mức độ suy giảm SNR (Signal-tonoise ratio), hệ thống khơng có tạp âm SNRin = SNRout X́t phát từ cơng thức tính NF tổng (cơng thức Friis) [2] : NFtot = + (NFtot - 1) + (𝑁𝐹2 − 1) 𝐴𝑃1 +…+ (𝑁𝐹𝑚 − 1) 𝐴𝑃1 …𝐴𝑃(𝑚−1) +…, (2.2) Trong đó APi hệ số khuếch đại (gain) tầng hay khối hệ thống Như qua công thức ta thấy NF tầng giảm dần hệ số khuếch đại tầng trước tăng Nghĩa NF cả hệ thống phụ thuộc rất lớn vào tầng Như bộ LNA tạo khối với mục đích giải vấn đề với việc tạo hệ số NF nhỏ hệ số khuếch đại cao, giúp cải thiện hiệu suất toàn mạch 11 2.3 Các thông số LNA Việc thiết kế một bộ LNA dựa việc điều chỉnh thông số sau đây: Độ nhạy: Tại đầu thu, thông số quan trọng quan tâm đó độ nhạy máy thu, cho công thức: Sensitivity Si min(dB) = −174dBm + 10logB + F(dB) + (S0/S1)(dB) (2.3) Trong đó: B băng thông hệ thống, F NF bên thu, S0/S1 tỉ số tín hiệu nhiễu bên thu Với độ nhạy tốt dải động, LNA cho hệ số tạp âm (Noise Figure) thấp hệ số khuếch đại mong muốn cao nhất Bên cạnh đó, LNA cịn quan tâm đến đợ tuyến tính Tín hiệu mạnh tạo intermodulation products dải tần số gần với tần số hoạt động có ảnh hưởng tới trở kháng bên thu Tham số S: Tham số S tham số tán xạ xác định mối quan hệ đầu vào đầu mạng điện sóng lượng tới phản xạ Công thức song năng lượng tới phản xạ: Z0 a= b= 2√Z0 2√Z0 (V0+ Z0 In) (2.4) (V0- Z0 In) (2.5) Trong đó: • an: sóng lượng tới • bn: sóng lượng phản xạ • Z0: Trở kháng đầu vào • n=1 Có thông số: a1, a2 , b1 b2 12 b1=S11 a1+S12 a2 (2.6) b2=S21 a1+S22 a2 (2.7) Trong đó: • S11 = b1 • S12 = b1 • S21 = b2 • S21 = b2 a1 a2 a1 a2 , a2=0 - hệ số phản xạ đầu vào , a1=0 – hệ số khuếch đại điện áp đảo , a2=0 – hệ số khuếch đại điện áp trước , a2=0 – hệ số phản xạ đầu Noise Figure (NF): Với một máy thu thông thường NF thường từ đến dB, đó NF anten từ 0.5 đến 1.5 dB, LNA từ đến dB khối khác từ 2.5 đến 3.5 dB Yêu cầu tạp âm thấp LNA giới hạn lựa chọn mơ hình mạch Thông thường có transistor chi phối đến NF mạch cần có khả khuếch đại nên ta loại mơ hình emitter followers source followers Gain: Hệ số khuếch đại (gain) LNA phải đủ lớn để giảm phân bố tạp âm khối máy thu Việc lựa chọn gain LNA cần phải ý đến một đánh đổi, gain lớn khiến NF máy thu nhỏ dẫn đến vấn đề phi tuyến khó giải Input return loss: Việc phối ghép anten LNA trở thành một vấn đề thú vị phân chia kỹ sư thiết kế tương tự vi sóng Xem xét LNA một mạch khuếch đại điện áp, ta mong muốn trở kháng vào đạt lý tưởng (vô hạn) Từ quan điểm tạp âm, ta mong muốn thu NF nhỏ nhất Từ quan điểm công suất, ta mong muốn kết hợp anten LNA Từ việc kết hợp lựa chọn phía để tránh mất mát đầu vào, LNA thiết kế với trở kháng đầu vào có điện trở 50 ohm Chất lượng phối hợp đầu vào thể input “return loss”, cho công thức: 𝛾=| 𝑍𝑖𝑛 − 𝑅𝑆 | 𝑍𝑖𝑛 + 𝑅𝑆 (2.8) 13 Với Zin trở kháng vào Stability: LNA có thể bị ảnh hưởng yếu tố bên nên cần trì ổn định (stability) tất cả trở kháng nguồn tần số Tham số thường dùng để tính ổn định mạch “stern stability factor”: K= 1+|∆|2 −|𝑆11 |2 − |𝑆22 |2 2|𝑆21 ||𝑆12 | (2.9) Với ∆ = 𝑆11 𝑆22 - 𝑆12 𝑆21 , ∆ < tức hệ thống ổn định vô điều kiện Linearity: Trong nhiều ứng dụng, LNA khơng giới hạn đợ tuyến tính (linearity) máy thu, ta thường thiết kế tốt ưu LNA mà quan tâm đến đặc tính tuyến tính chúng Nhưng đặc tính tuyến tính LNA trở nên quan trọng máy thu băng thông rộng mà bị ảnh hưởng lượng lớn nhiễu bên Bandwidth: LNA phải cung cấp đáp ứng tương đối cho dải tần quan tâm, tốt nhất biến thiên khuếch đại dưới dB Power dissipation: Thiết kế LNA thường phải đánh đổi tạp âm, đặc tính tuyến tính tiêu hao lượng Nhưng thực tế, LNA tiêu hao một phần nhỏ công suất nên vấn đề tạp âm thường đánh giá quan trọng tiêu tán lượng 1-dB Compression Point: P1 dB cho thấy mức công suất đầu rơi điểm 1dB so với giảm công suất đầu 1dB so với giá trị đầu lý tưởng Do đó, điểm P1 nén 1dB yếu tố quan trọng cho ta thấy điểm lượng đầu vào, đó tín hiệu bắt đầu méo phi tuyến Nguyên tắc bợ khuếch đại tuyến tính đó khuếch đại hoạt đợng miền dưới điểm nén [3] 14 Hình 1.2: Điểm nén 1-dB [3] Third- Order Intercept Point: Điểm chặn thứ cho thấy lượng điểm điều biến (intermodulaton) thứ với lượng đầu điểm thứ nhất Điểm chặn thứ ba ảnh hưởng lớn tới intermodulation nó gây phi tuyến xuất tần số tín hiệu lớn f1, f2 gần với tần số hoạt động f0 IIP2, OP3 lượng đầu vào đầu ra, tương tứng với IP3 IP3=P1(db)+10dB (2.10) Hình 1.3: Điểm chặn thứ [3] 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ Trong Chương đề cập cách thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số FM theo trình tự tường bước Các thơng số phần thiết kế LNA hệ số tạp âm (NF), hệ số khuếch đại (Gain) phối hợp đầu vào (Input matching) 3.1 Các yêu cầu về thông số kỹ thuật Các yêu cầu thơng số kỹ thuật đưa sau: • Gain > 19 dB • NF < dB • Bandwidth: 40 MHz với tần số trung tâm 100 MHz 3.2 Quy trình thiết kế LNA 3.2.1 Quy trình thiết kế LNA Mợt quy trình thiết kế bợ khuếch đại tạp âm thấp bao gồm bước: • Đánh giá độ ổn định để xác định phụ thuộc vào nguồn phối hợp trở kháng • Xác định điều kiện phân cực mạch • Xác định hệ sơ khuếch đại mong muốn tần số trung tâm • Xác định NF tần số trung tâm Phối hợp nguồn bắt buộc 3.2.2 Đặc điểm transitor Để thiết kế LNA, việc chọn transistor một bước quan trọng thiết yếu Khi chọn transtistor cần quan tâm tới hệ số khuếch đại cao, nhiễu ảnh thấp Ở nhóm chọn BFP720 với thông số phù hợp với việc kế mạch LNA tần số 100Mhz [4]: • Sử dụng công nghệ SiGe • Dải động cao • Hoạt động điện áp: 1.0V-4.0V • Tần số hoạt đợng: 0.01-12 (GHz) 16 • Hệ số khuếch đại cao tiêu hao lượng thấp • Hệ số khuếch đai ổn định cao nhất f=10Gz: 15dB BFP720 sử dụng nhiều FM radio, Mobile Tv, GPS (Global Positioning, System)… 3.3 Thiết kế LNA 3.3.1 Kiểm tra độ ổn định transistor Transistor chọn cần có độ ổn định K > 1, cần kiểm tra transistor có thỏa mãn yêu cầu hay không? Nếu yêu cầu không đạt, cần thêm điện trở để transistor trở nên ổn định Cơng thức tính ổn định K transistor theo cơng thức (2.9) Hình 3.1: Sơ đồ mạch kiểm tra độ ổn định BFP720 17 Hình 3.2: Đồ thị S11 Hình 3.3: Đồ thị S12 18 Hình 3.4: Đồ thị S21 Hình 3.5: Đồ thị S22 Hình 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 mơ tả thơng số S11, S12, S21, S21 Từ hình cơng thức (2.9) tính hệ số ổn định K, ta thu K>1 nên transistor ổn định, thỏa mãn yêu cầu 19 3.3.2 Mạch LNA Sau tính tốn thơng số, nhóm thống nhất mạch thiết kế LNA sau: Hình 3.6: Mạch mơ LNA ADS Kết quả mơ phỏng: Hình 3.7: Đồ thị NF Từ Hình 3.7, ta có NF=0.0003 (dB) 20 Hình 3.8: Đồ thị Gain Từ Hình 3.8 ta thu Gain là: G=19.2 (dB) 21 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết Sau hồn thành mơ LNA tần số FM 100MHz, nhóm thu kết quả: • NF=0.0003(dB) • G=19.2(dB) Kết quả thỏa mãn yêu cầu nhóm đề trước đó, nhiên mạch vẫn chưa xác hồn tồn, transistor khơng hoạt đợng tốt nhất tấn số 100Mhz 4.2 Kết luận Sau hồn thành tập lớn mơn "Điện tử tương tự 2" với đề tài "Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số FM", nhóm em vận dụng đươc học lớp vào tính tốn, thiết kế mạch Nhờ đó mà chúng em hiểu rõ quy trình thiết kế rút kinh nghiệm hữu ích cho bản thân Bên cạnh đó tập lớn giúp chúng em khả tự học, tìm kiếm tài liệu khả làm việc nhóm Mặc dù chúng em cố gắng rất kiến thức hạn chế chưa đủ kinh nghiệm thực tiến nên mạch vẫn thiếu xót, chúng em mong thầy có thể bỏ qua chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Anh Quang Thầy tạo học bổ ích, lơi sinh viên tạo cho chúng em niềm say mê học tập tìm hiểu kiến thức mới Chúng em chân thành cảm ơn thầy! 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M David, "Microwave and RF Wireless System", Chap John Willey & Sons, 2001 [2] B Razavi, RF Microelectronics, 1988 [3] L Frenzel, What’s The Difference Between The Third-Order Intercept And The 1dB, 2014 [4] N A Quang, Powperpoint Dien tu tuong tu [5] Datasheet, INFINEON Technologies,BFP720, "Datasheet, Technologies,BFP720," http://www.infineon.com/, 2013 INFINEON 23 ... 100Mhz 4.2 Kết luận Sau hồn thành tập lớn mơn "Điện tử tương tự 2" với đề tài "Thiết kế khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số FM" , nhóm em vận dụng đươc học lớp vào tính toán, thiết kế mạch... đề cập cách thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cho tần số FM theo trình tự tường bước Các thơng số phần thiết kế LNA hệ số tạp âm (NF), hệ số khuếch đại (Gain) phối hợp đầu vào (Input...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP (LNA) CHO TẦN SỐ FM Nhóm thực hiện: Nhóm 11 Số điện