L ời nói đầu
3.4.5 Phối hợp trở kháng đầu vào (S11 < 10 dB)
Đối với tín hiệu cao tần phối hợp trở kháng đầu vào là việc thiết kế sao cho trở kháng đầu vào của một khối bằng với trở kháng đầu ra của khối trước đó mục đích để tín hiệu có thể đi hết vào khối tránh bị phản xạ lại. Trong công nghiệp cao tần trở kháng của các khối cơ bản được chế tạo sẵn, các cáp nối, đầu tiếp điện… được chế tạo theo chuẩn là 50 Ω (giá trị chuẩn hóa là 1). Do đó chúng tôi chọn phối hợp với trở kháng với giá trị là 50 Ω. Tham số thể hiện trạng thái phối hợp trở kháng là S11 (năng lượng phản xạ đầu vào). Mạch được gọi là phối hợp trở kháng đầu vào khi S11 = 0 (trở kháng đầu vào của mạch bằng 1 + j*0). Với LNA điện trở kênh của transistor sẽ ảnh hưởng chính tới phần thực của trở kháng và tổng các thành phần Lbias, Cin, CGS trên transistor sẽ tạo ra phần ảo của trở kháng. Và do hoạt động ở cao tần nên các tham số ký sinh trên các linh kiện cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình phối hợp trở kháng cũng như phẩm chất LNA.
Trở kháng đầu vào của LNA có phần ảo dương (do sử dụng cuộn cảm Lbias có giá trị rất lớn) nên ta sử dụng thêm tụ Cex (cân bằng phần ảo về 0) mắc như hình vẽ và tiến hành phối hợp trở kháng.
35
Gmin là hệ số phản xạ tạp âm tối ưu. Mạch sẽ có hệ số tạp âm tốt nhất khi Gmin = 0 ứng với phần thực của trở kháng đầu vào bằng 1. Sử dụng hàm Gmin để đưa trở kháng đầu vào về 50 Ω. Đồ thị hình 3.11 biểu diễn Gmin trên đồ thị Smith. Mỗi đường biến thiên tương ứng với mỗi giá trị khác nhau của Vbias_M1. Trên mỗi đường hàm Gmin biến thiên theo số finger của M2 (n2). Giá trị tối ưu của Gmin tương ứng với Vbias_M1 = 360 mV (không tốt với Gmax, NFmin). Gmin cắt vòng tròn trở kháng bằng 1 với n2 = 88 finger (44 finger và 2 multiplier).
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mới sau khi mắc thêm tụ Cex
Hình 3.11: Đồ thị Gmin theo Vbias và số Finger của M2 (n2) trên đồ thị Smith
36
Xác định năng lượng phản xạ đầu vào S11 của khối LNA. Đồ thị quan hệ giữa S11 và Cex, Cin như hình 3.12:
Trên đồ thị 3.12 mỗi vòng cung là tập hợp các giá trị S11 theo Cin. Các vòng cung ứng với các giá trị Cex khác nhau. Từ đồ thị ta xác định được ứng với Cex có kích thước hai chiều là 8um*8um (71 fF) thì phần thực của S11 trùng với vòng tròn trở kháng bằng 1. Phần ảo của S11 phụ thuộc vào Cin và đi qua tâm của đồ thị. Lựa chọn Cex = 71 fF và tiến hành xác định Cin để có giá trị S11 tối thiểu (khoảng cách từ tâm đồ thị tới S11 nhỏ nhất).
Đồ thị S11 theo Cin:
Hình 3.12: Đồ thị S11 theo Cex và Cin
37
Từ đó ta chọn điểm gần tâm đồ thị nhất và có phần thực bằng 1 ứng với Cin có kích thước hai chiều là 15um*15um (241 fF).
Vậy lựa chọn tụ Cex = 71 fF và Cin = 241 fF để có S11 = 0. Hoàn thành phối hợp trở kháng đầu vào.
Giá trị Gmax, NFmin sau khi phối hợp trở kháng đầu vào: cần có phương án để nâng cao giá trị Gmax, NFmin sau này.