CHƯƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ QUAN TRỌNG MÁY THU VÔ TUYẾN
3.2. Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
LNA thông thường là là bước chủ động đầu tiên tín hiệu đi qua. Để độ nhạy thu tốt bước này của đầu vào cần được phối hợp trở kháng với nguồn của nó, thường là một bộ lọc bị động hoặc là anten. Phối hợp trở kháng tốt tối đa công suất truyền tải từ anten và tránh các phản xạ.
Thêm vào đó, LNA phải có chỉ số tạp âm tốt do đó là phần tử quan trọng nhất trong việc sẽ xác định chỉ số tạp âm của máy thu. Nếu LNA có đủ độ tăng ích thì các bước sau đó sẽ bị ít hoặc khơng bị ảnh hưởng. Thường yêu cầu độ tăng ích từ 10- 20dB. Máy thu có độ nhạy thu tốt hơn thì chọn lọc kênh của máy thu tốt hơn khi tín hiệu mong muốn ở gần hoặc ở mức tối thiểu độ nhạy của máy thu. Quá nhiều độ khuếch đại LNA sẽ vượt quá các nhu cầu về độ tuyến tính của các phần sau của máy thu trước khi lọc kênh.
Các chỉ số tạp âm của CMOS và SiGe hiện đại thường nhỏ hơn 2dB khi tích hợp vào một IC ở các tần số WiFi với các thiết bị cá nhân đạt được chỉ số tạp âm tốt dưới 1dB.
Trong CMOS, chỉ số tạp âm tối thiểu có thể đạt được giảm như độ rộng cổng của transitor, chỉ số tạp âm khoảng 0.56dB với 250nm và 0.12dB với các thiết bị 50nm.
Sự xuống cấp chỉ số tạp âm giữa các thiết bị độc lập và tích hợp thường do tạp âm lượm lặt từ các dây nối tới IC và tạp âm nền IC. Mạch vi phân được sử dụng trong các LNA và nhiều thành phần mạch khác để cải thiện sự miễn trừ với các kiểu tạp âm phổ biến nhận được. Hình phạt cho hướng tiếp cận này là cần thiết bổ sung thêm dòng và thêm silicon để đạt được chỉ số tạp âm và hiệu năng xử lý tín hiệu lớn tương tự.
Khi xem xét độ chọn lọc của máy thu, xử lý tín hiệu lớn của bộ khuếch đại, thường đặc trưng bởi IP3 của LNA, nó quan trọng do LNA phải có khả năng đối phó với tất cả các tín hiệu vượt qua bộ lọc băng đầu vào mà không đưa vào các sản phẩm méo dạng. IP3 của bộ LNA thực tế được yêu cầu với các tín hiệu đầu vào nhỏ phụ thuộc vào yêu cầu IP3 máy thu, độ khuếch đại của bước này và IP3 của các bước tiếp theo. Bằng cách giảm độ khuếch đại bước này IP3 của bước này và máy thu có thể
giảm để đối phó với các tín hiệu đầu vào lớn, IP3 LNA sẽ quyết định IP3 máy thu.
3.3. Bộ trộn
Điểm chặn của bộ trộn là một yêu tố quan trọng trong việc xác định điểm chặn của máy thu, thường góp phần 50% vào tồn bộ các sản phẩm xuyên điều chế méo dạng cơng suất của tồn bộ chuỗi máy thu RF. Các điểm chặn bậc 3 cao hay với các máy thu Zero IF là các điểm chặn bậc hai cao là rất sống cịn nếu máy thu có khả năng nhận phải nhiều nhiễu mức cao có thể sẽ tạo ra nhiều sản phẩm giả hoặc ở tần số RF hoặc ở tần số IF, hay với máy Zero IF là ở DC. Để SFDR cao thì cần điểm chặn cao để có thể cân bằng với chỉ số tạp âm một cách hợp lý.
Tùy thuộc vào loại tín hiệu LO được sử dụng, các bộ trộn được nhắc đến như là nhân tuyến tính hay các bộ trộn chuyển tiếp. Các bộ trộn nhân tuyến tính thực hiện việc nhân hai tín hiệu có biên độ tương tự. Các bộ trộn chuyển tiếp theo cách khác nhân một tín hiệu tương tự đầu vào với một tín hiệu chuyển tiếp hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp trong bộ trộn.
Hầu hết các bộ trộn biến đổi hạ tần tạo ra nhiều thành phần phổ, một số tiềm tàng lớn hơn đáp ứng mong muốn. Điều này có thể dẫn tới ít SFDR, nếu khơng sử dụng các giai đoạn dải động rộng sau bộ trộn. Nhiều bộ trộn sử dụng các cổng cân bằng để tối thiểu cấp nguồn từ đầu vào LO và RF ở mức cao qua đầu ra IF của bộ trộn. Giống như giảm cấp nguồn chéo, một hướng tiếp cận cân bằng làm giảm sự méo dạng, tạp âm, và các xuyên điều chế bậc lẻ.
Các bộ trộn bị động hoạt động như các bộ trộn chuyển tiếp được cấp xung clock bằng bộ dao động nội. Các phần tử chuyển tiếp thường là các MOS chuyển tiếp hay diode. Trong khi chúng không sử dụng nguồn tĩnh DC nhưng các bộ lọc bị động luôn đưa vào một chỉ số tổn thất công suất giữa đầu vào và đầu ra và có thể góp phẩn làm nghèo chỉ số tạp âm của máy thu đi. Mặt khác hiệu năng độ tuyến tính lại có xu hướng rất tốt. Tùy thuộc vào việc thực hiện chuyển tiếp LO biên độ cao có thể cần để đạt được trở kháng chuyển tiếp thấp.
Một vòng diode cân bằng kép thường cần 7dB bộ dao động nội chuyển tới. Nó có thể chứa các đầu vào RF lên tới 1dBm ở mức nén 1dB (IIP3~15dB) và có tổn thất 6dB. Với cách lý LO-IF thơng thường ở mức 30dB, IF cần có khả năng sẽ nhận được một mức tín hiệu liên tục -23dB.
Khi các bộ trộn chuyển tiếp MOS được tích hợp vào các IC thì phối hợp biên độ tốt hơn có thể đạt được giữa các switch trong bộ trộn và giữa các bộ trộn. Điều này là thuộc tính quan trọng trong kiến trúc nhiều bộ trộn như các bộ trộn cầu phương kép.
Hình 3.55: Bộ trộn diode cân bằng kép
Các bộ trộn chủ động tiêu tốn công suất chế độ chờ bởi chúng sử dụng một bước tiền khuếch đại hỗ dẫn yêu cầu dòng định thiên để hoạt động. Giống như các bộ trộn thụ động chúng có thể được sử dụng trong các cấu hình khơng cân bằng, cân bằng đơn, cân bằng kép. Khơng giống như các bộ trộn chủ động chúng có một độ tăng ích rịng sẽ giảm đóng góp vào các bước sau gây nên tạp âm của máy thu. Tiếc rằng, các luồng dòng định thiên vật liệu hỗ dẫn qua mạng chuyển tiếp sẽ tăng lên đáng kể tạp âm đóng góp của các switch so với các switch trong bộ trộn thụ động. Trong CMOS dịng định thiên DC này có thể gây ra tạp âm chập chờn đáng kể.
Nó là một bộ trộn dịng chủ động cân bằng kép. Một bộ khuếch đại hỗ dẫn đầu vào hoàn toàn khác biệt biến đổi tín hiệu điện thế đầu vào thành một đặc biệt và sau đó cấp cho mạng chuyển tiếp. Bước đầu vào khác biệt cho phép xử lý tín hiệu điện thế đầu vào lớn hơn 2 lần trong trường hợp bộ trộn đầu cuối vào đơn. Hướng tiếp cận kiểu dòng phù hợp với việc sử dụng các tiến trình RF IC điện thế thấp. Hướng tiếp cận cân bằng cung cấp độ cách ly rất tốt giữa các cổng nên rò rỉ LO rất thấp.
IP3 của một bộ trộn chủ động thơng thường được hạn biên bởi độ tuyến tính của tế bào hỗ dẫn. Thông thường các tham số hiệu năng cho một bộ trộn được tối ưu cho chỉ số này, thực hiện trong tiến trình SiGe BiCMOS 0.8um sử dụng nguồn 5V như sau:
Chỉ số tạp âm: 9.7dB Độ tăng ích: 13.5dB
IIP3: -5dBm
Điều khiển LO: 160mV Dòng tiêu hao: 10.4mA
Hai phương thức thường được sử dụng để cải thiện chỉ số IIP3 nghèo nàn là suy biến cực phát/nguồn của tế bào hỗ dẫn bằng cách thêm các điện trở vào các cực phát/nguồn và thay các thiết bị trong giai đoạn đầu vào với các giai đoạn khuếch đại AB. Các kỹ thuật tuyến tính hóa tế bào hỗ dẫn sẽ được nhắc đến ở phần sau.
bảng sau cho thấy kết quả đạt được.
Bảng 3.4: Hiệu năng bộ trộn tuyến tính hóa SiGe
Với suy biến cực phát Với giai đoạn vào AB
Chỉ số tạp âm(dB) 14.2 15
Độ khuếch đại(dB) 2.8 9.7
IIP3(dBm) 12.4 7.2
Điện thế(LO) 114 137
Dòng tiêu thụ(mA) 9.5 2
Sử dụng CMOS 0.18um một bộ trộn với IIP3 12.1dBm, độ tăng ích chuyển đổi 16dB và chỉ số tạp âm 13.8dB.