Các bộ khuếch đại cao tần tạp âm nhỏ

Đặc điểm chung của các loại khuếch đại cao tần dùng đèn điện tử vμ bán dẫn thơng th†ờng lμ tạp âm bản thân của chúng cĩ một giá trị đáng kể lẫn vμo trong tín hiệu cần khuéch đại lμm ảnh h†ởng đến độ nhạy của máy thu.Vì vậy trong kỹ thuật siêu cao tần ng†ời ta vận dụng những nguyên tắc khuếch đại khác để thiết kế những bộ KĐCT mới phù hợp với yêu cầu trong các đμi rađa.Trong khuơn khổ của luận văn nên chỉ nêu khái quát những ph†ơng pháp KĐCT đã sử dụng hiện nay.

Nhằm khắc phục nh†ợc điểm trên của các bộ khuếch đại cao tần ng†ời ta phải dùng các ph†ơng pháp biến đổi năng l†ợng khác khơng thơng qua tác dụng của dịng điện tử bức xạ từ katốt đèn khuếch đại. Đĩ lμ ph†ơng pháp

biến đổi năng l†ợng nhờ hiệu ứng Tunen, nhờ những tụ diện , cuộn cảm trữ năng l†ợng hay kích thích trạng thái phân tử chất rắn. Dựa trên các ph†ơng pháp nμy ng†ời ta chế tạo ra các bộ khuếch đại cao tần cĩ mức độ tạp âm nhỏ lại cĩ khả năng lμm việc ở những tần số rất cao. Đĩ lμ những bộ khuếch đại tham số, bộ khuếch đại dùng điốt Tunen vμ bộ khuếch đại l†ợng tử.

Đặc tính chung của những bộ khuếch đại tạp âm nhỏ lμ chúng đ†ợc đ†a vμo mạch điện nh† những mạng hai cực, nghĩa lμ khơng cĩ sự phân biệt đầu vμo, đầu ra. ở đây tín hiệu đầu vμo ngoμi nhiệm vụ tác dụng lên dụng cụ khuếch đại cịn cĩ tác dụng trực tiếp lên tải vμ ng†ợc lại, tín hiệu đã đ†ợc khuếch đại vừa đ†ợc tách ra trên tải vừa tác động đáng kể lên điện trở trong của nguồn tín hiệu. Chính điều nμy lμm hạn chế đến việc sử dụng nhiều tầng trong bộ khuếch đại. Hình (1.15) lμ vị trí của mạng 2 cực khuếch đại.

2

3 4

1

R

Hình 1.15. Sơ đồ vị trí của mạng hai cực khuếch đại.

Mạng hai cực khuếch đại thực chất lμ một nguồn năng l†ợng (nguồn điện áp một chiều hay xoay chiều cao tần) vμ một dụng cụ điều khiển để chuyển năng l†ợng tín hiệu cần khuếch đại. Tùy theo điều kiện lμm việc mạng hai cực khuếch đại cĩ thể dùng theo kiểu “truyền qua” hoặc kiểu “phản xạ”. Khi dùng kiểu “phản xạ” thì mạng hai cực đ†ợc mắc với một nhánh của bộ

Ta thấy trong hệ thống gồm “nguồn tín hiệu – tải” thì mạng hai cực đ†ợc mắc vμo giữa lμm nhiệm vụ bổ xung năng l†ợng cho tín hiệu tách ra cho nên mắc nĩ vμo hệ cũng t†ơng đ†ơng với việc mắc vμo hệ một điện dẫn âm, do đĩ ta cĩ sơ đồ t†ơng đ†ơng cho hệ thống “nguồn tín hiệu – mạng hai cực khuếch đại – tải” hình (1.16).

tҧi g-

I Y

Hình 1.16. Sơ đồ t†ơng đ†ơng mạng 2 cực khuếch đại

Thực ra bản thân mạng hai cực cĩ tổn hao nhất định đ†ợc đặc tr†ng bằng điện dẫn gm , tổn hao của khung cộng h†ởng g0 cĩ thể mắc cộng h†ởng song song hoặc nối tiếp. ở tần số cộng h†ởng của khung ta cĩ sơ đồ t†ơng đ†ờng đầy đủ cho hệ lμm việc theo kiểu “truyền qua” mắc song song vμ nối tiếp nh† hình vẽ (1.17.a.b). R R R R I Ing g g g g g R a/ b/

Hình 1.17.(a.b).Sơ đồ t†ơng đ†ơng của bộ khuếch đại dùng mạng 2 cực .

a/Bộ KĐCT dùng đi ốt tunen.

Hiệu ứng tunen (đ†ờng ngầm) lμ một hiệu ứng trong cơ l†ợng tử đ†ợc các nhμ bác học ng†ời Nha Frenkel vμ Ioffe chỉ ra vμ giải thích năm 1932 vμ năm 1958 nhμ bác học ng†ời Nhật Esaki Leo đã phát hiện,thực nghiệm hiệu ứng nμy.Điốt tunen khác đốt thơng th†ờng,về nồng độ thμnh phần tạp chất trong vùng mặt ghép n vμ P rất cao(lớn gấp hμng trăm lần so với điốt thơng th†ờng) nên cĩ thể tạo ra lớp ngăn cách N-P rất mỏng dễ tạo ra hiệu ứng Tunen khi cĩ điện áp đặt vμo.

Thể hiện cho hiệu ứng tunen lμ đặc tuyến Vơn-Ampe ( hình 1.18) cĩ đoạn đi xuống

I

tạo thμnh dạng chữ N

I1

I2

U

Hình 1.18.Đặc tuyến V-A của Điốt tunen.

ở đoạn đặc tuyến đi xuống điện trở của điốt lμ số âm.

Để so sánh các điốt với nhau thơng th†ờng dùng giá trị điện trở tích phân(cĩ giá trị âm).

-R = (U2– U1)/( I1 – I2)

Đặc tr†ng cho giá trị trung bình của điện trở âm điốt ng†ời ta dùng giá trị điện trở vi phân đặc tr†ng cho hỗ dẫn của đoạn đi xuống ở một điểm nμo đĩ của đặc tuyến:

-R = d U / dI

Giá trị Rd trong đoạn lμm việc của điốt thơng th†ờng bằng –(5-500)ȍ.

U2 U1

U2

Do điện trở âm khác với điện trở d†ơng lμ nĩ khơng lấy năng l†ợng của dịng xoay chiều,mμ lại cung cấp năng l†ợng cho nĩ.Cũng trên nguyên tắc đĩ mμ ng†ời ta dùng điốt tunen để khuyếch đại dao động xoay chiều,điốt tunen đĩng vai trị nguồn năng l†ợng.Năng l†ợng mμ điốt tunen lấy từ nguồn một chiều dùng để tạo thiên áp điểm lμm việc trong đoạn đi xuốngcủa đoạn đặc tuyến.Rõ rμng điốt tunen chỉ lμm nhiệm vụ chuyển năng l†ợng của nguồn một chiều thμnh năng l†ợng xoay chiều nhơ mọi dụng cụ điện tử khác.

b/.Bộ khuếch đại cao tần kiểu tham số.

Trong bộ khuếch đại tham số ng†ời ta dùng tính chất trữ năng của các phần tử điện kháng,điện cảm,điện dung của khung dao động.Nh†ng các điện kháng nμy phải biến đổi tuyến tính theo thời gian.

Trên quan điểm tốn học thì các mạch cĩ điện kháng phi tuyến khác xa với mạch cĩ điện kháng biến đổi tuyến tính theo thời gian.Nh†ng chúng cĩ điểm chung lμ chúng cĩ thể chuyển hố năng l†ợng của một dao động tần số nμy sang tần số khác.Trên cơ sở đĩ ng†ời ta lμm bộ khuếch đại tham số.Nh†

vậy bộ khuếch đại tham số dùng các điện kháng phi tuyến hoặc biến đổi tuyến tính theo thời gian để khuếch đại tín hiệu.

+.Nguyên lý khuếch đại tham số.

Xét một sơ đồ khuếch đại tham số đơn giản nhất gồm:một khung dao động L-C trong đĩ tụ C cĩ giá trị thay đổi theo thời gian,R lμ điện trở tổn hao của cuộn cảm L.

Giả sử trong khung LC đang tồn tại một dao động điều hoμ tần số f1,điện áp Uc

trên tụ C cĩ biên độ khơng đổi bằng Um.Từ thời điểm t1 trở đi mỗi khi điện áp trên tụ Cc

đạt giá trị bằng biên độ Um thì tụ C lại giảm trị điện dung xuống một cách tức thời bằng cách dịch hai bản tụ ra xa một khoảng bằng(d+'d)tức thời.Ta biết rằng:

Uc= q/c.

Mμ diện tích trên tụ khơng thay đổi tức thời đ†ợc,nên khi tụ Cgiảm tức thời thì Uc sẽ tăng lên.

Về ý nghĩa vật lý thì điều nμy cĩ nghĩa lμ năng l†ợng cơ học dùng để thắng sức hút của các điện tích thì trên hai bản tụ khi dịch hai bản ra xa đã đ†ợc trữ vμo tụ d†ới dạng điện năng.Tại thời điểm khi Uc= 0 ta tăng điện dung lên bằng cách dịch chuyển hai má tụ trở về vị trí ban đầu.Lúc nμy do khơng cĩ điện tích trên các tụ,nên khơng tốn năng l†ợng để thắng lực hút tĩnh điện nên điện áp trên tụ khơng bị thay đổi.

Cứ lặp lại quá trình nh† vậy ta sẽ tăng dần điện áp trên tụ (tức lμ điện áp trên khung dao động) cho tới khi điện áp trên tụ bằng năng l†ợng tổn hao trên khung. Khi đĩ biên độ điện áp sẽ khơng đổi vμ đã đạt giá trị xác lập mặc dù ta vẫn tác dụng lên tụ điện nh† tr†ớc vì cơng suất tổn hao trên khung tỷ lệ với bình ph†ơng điện áp trên nĩ. Quá trình xác lập điện áp nμy đựoc thực hiện trong một số chu kỳ ban đầu nhất định nμo đĩ.

Điếu kiện để nhận đ†ợc hiệu quả khuếch đại tốt nhất la :

- Phải đảm bảo thay đổi tần số điện dung gấp 2 lần tần số tín hiệu cần khuếch đại để cĩ thể tác dụng 2 lần trong một chu kỳ,ứng với thời điểm điện áp trên tụ bằng giá trị biên độ.

- Phải đảm bảo pha sao cho tác dung cơ học phù họp với pha của tín hiệu tức lμ giảm điện dung đúng lúc điện áp trên tụ lớn nhất vμ tăng điện dung đúng lúc điện áp trên tụ bằng khơng.

Trong thực tế ng†ơi ta khơng thể thay đổi điện dung bằng ph†ơng pháp cơ học vμ tức thời mμ thay đổi bằng điện hoc theo quy luật hình sin nhờ

+.Ưu nhợc điểm của bộ khuếch đại tham số.

- Hệ số khuếch đại cơng suất lớn khoảng 20dB.

- Tạp âm khá nhỏ, cấu trúc điều chỉnh khá phức tạp,lμm việc ở dải siêu cao tần thì tần số nguồn bơm rất lớn.

c/.Bộ KĐCT kiểu cơ lợng tử.

Nguyên tắc của bộ khuếch đại cơ l†ợng tử lμ dựa vμo sự tác dụng của điện từ tr†ờng với các hạt khơng mang điện của vật chất , vμ các hạt nμy khơng ở trạng thái tự do mμ ở trong một mạng liên kết bền vững d†ới nhiệt độ rất thấp, các hạt phân tử do đĩ ng†ời ta gọi lμ bộ khuếch đại phân tử.

+.Tính chất của các hệ phân tử.

Mọi vật chất đều đ†ợc cấu thμnh từ các hạt, nh†ng do chúng luơn nằm trong mạng liên kết với nhau, nên chuyển động của chúng khơng phải lμ hoμn toμn bất kì,ngẫu nhiên về mọi tham số : tốc độ , mơ men , năng l†ợng. Mỗi hạt trong mạng liên kết chỉ cĩ một số giá trị động năng nhất định gọi lμ những mức năng l†ợng. Chúng chỉ nằm ở một mức năng l†ợng nμo đĩ trong số những mức năng l†ợng chúng cĩ thể cĩ.

Song các hạt khơng phải luơn nằm ở mức năng l†ợng nhất định,nĩ cĩ thể chuyển từ mức nμy sang mức khác khi bị tác động bên ngoμi. Khi hạt chuyển từ một mức năng l†ợng thấp (ví dụ w1) lên một mức cao hơn (w2) thì chứng tỏ nĩ đã hấp thụ một năng l†ợng nhất định của ngoại lực (cĩ thể nhiệt năng,cơ năng, năng l†ợng điện từ tr†ờng...),

đây lμ qua trình cấp thụ cộng h†ởng.

Ng†ợc lại nĩ chuyển từ mức cao xuống mức thấp thì nĩ bức xạ một năng l†ợng nhất định t†ơng ứng với độ chênh lệch mức năng l†ợng ấy cho mơi tr†ờng bên ngoμi. Các năng l†ợng hấp thụ vμ bức xạ theo điều kiện Bor đ†ợc tính bởi :

Trong đĩ : h = 6,625.10-34 j.s

+.Nguyên lý khuếch đại cơ l†ợng tử.

Tr†ớc hết cần kích thích lên hệ vật chất cho các hạt chuyển trạng thái từ thấp lên cao,ví dụ mức w1lên mức w3 gây nên sự d† thừa các hạt mang năng l†ợng mức cao(w3)so với số hạt đã xác định theo qui luật Bolzman N' 3.Duy trì sự d† thừa nμy đủ lâu bằng cách tác động kích thích liên tục,chọn vật chất vμ giảm nhiệt độ của vật chất để thời gian chuyển trạng thái đủ lớn (hình 1.19)

Hình 1.19.Phân bố của hạt khi cĩ kích thích.

W ƄN3

W3

W2 W1

O N3 N2 N1 N

Khi tác động kích thích liên tục đến lúc đạt trạng thái cân bằng động t†ơng ứng với 'N3 nhất định.Lúc nμy số hạt nhảy từ mức w1lên mức w3bằng số hạt nhảy từ w3về w2vμ w3về w1duy trì 'N3khơng đổi,sự chuyển trạng thái của các hạt từ cao xuống thấp xảy ra hỗn loạn,năng l†ợng chúng chúng phát ra tạo thμnh các tạp âm nhiệt.

Lúc nμy đ†a vμo hệ thơng một dao động điện từ yếu cĩ tần số t†ơng ứng với b†ớc nhảy năng l†ợng từ w3xuống w2thì tr†ờng nμy sẽ t†ơng tác với năng l†ợng bức xạ w' 32vμ trao năng l†ợng cho tr†ờng,hiện t†ợng bức xạ cảm ứng xảy ra,tạp âm nhiệt mất đi hoμn toμn ở tần số nμy vμ dao động sĩng điện từ đã đ†ợc khuếch đại lên.

Kết luận chơng 1

Nh† vậy bộ KĐCT đã cĩ vai trị quan trọng trong máy thu ra đa nĩi riêng vμ trong hệ thống thơng tin liên lạc nĩi chung. Bộ KĐCT phát triển cùng với ngμnh kỹ thuật vơ tuyến điện tử vμ đĩng gĩp tích cực vμo việc nâng cao cự ly thơng tin cũng nh† cự ly phát hiện của các đμi ra đa. Nh†ng hầu hết các đμi ra đa hiện nay bộ KĐCT vẫn dùng các linh kiện thế hệ cũ nên đã bộc lộ nhiều hạn chế cho nên cμng địi hỏi ta phải tìm kiếm thay thế những linh kiện mới cĩ chất l†ợng tốt nh† độ ổn dịnh cao,tạp âm nhỏ , dễ rμng thay thế lắp ráp,giá thμnh hạ nh†ng vẫn đảm bảo đ†ơc các yêu cầu đăt ra. Hiện nay trên thị tr†ờng cĩ nhiều vật liệu mới nh† điơt,tranzitor, varicap, tranzitor tr†ờng ..v..v .hoμn toμn cho phép chúng ta cải tiến thiết kế khơng những riêng bộ KĐCT nĩi mμ toμn bộ tuyến máy thu ra đa nĩi chung.

Ch‡ơng 2

Khả năng cơng nghệ của

mạch dải-đi ốt-tranzistor tr‡ờng lμm nhiệm vụ

khuếch đại cao tần

2.1.một số linh kiện thế hệ mới lμm nhiệm vụ khuếch đại ở tần số cao hiện nay.

2.1.1.Ѝờng truyền vi dải (Mạch dải).

Tụ ngăn dịng một chiều Đế điện mơi Đầu vμo Tranzitor Chân Chân

Kim loại đấu đất

Đầu ra

Hình 2.1.Ví dụ về cấu trúc mạch đ†ờng truyền vi dải

Іờng truyền vi dải ( microstrip ) cĩ lẽ lμ vật liệu thơng dụng nhất để tạo một cấu trúc ống dẫn sĩng do dễ sản xuất ( dùng cơng nghệ PCB lμ cơ bản ) , khối l†ợng nhẹ ( lợi thế so với ống dẫn sĩng ) , khả năng t†ơng thích với các quy

nối với cửa G vμ dây dẫn đầu ra nối với cực máng D. Nguồn đ†ợc nối qua nền tới lớp kim loại bọc ngoμi tiếp đất. Mạch cũng cĩ các nhánh cụt t†ơng ứng với đầu vμo, đầu ra, thiên áp (bias lines) cho sự cung cấp dịng một chiều cho tranzito vμ các tụ ngăn dịng một chiều tại đầu vμo vμ đầu ra để tách riêng các mạch. Các tụ điện lμ các thμnh phần rời rạc đ†ợc nối vμo giữa các chỗ trống trong các dây dẫn đ†ờng truyền vi dải. Trong phạm vi của luận văn sẽ chỉ nêu ra cấu trúc hình học vμ các tham số cơ bản.

a. Cấu trúc hình học của đờng truyền vi dải

Hình (2.2.) minh hoạ một đ†ờng truyền vi dải hở với ba thμnh phần chính của cấu trúc:dải chất dẫn lên , nền điện mơi vμ mặt phẳng kim loại tiếp đất, đồng thời cũng chỉ ra bốn tham số chính đ†ợc sử dụng trong thiết kế đ†ờng truyền vi dải:h,w,t vμ Hr lμ hằng số điện mơi của nền.

Trong các mạch đ†ợc sản xuất trong thực tế , hầu hết đ†ờng truyền vi dải đ†ợc bọc trong một số dạng hộp kim loại , do đĩ cấu trúc cuối cùng lμ cấu trúc thực tế nhất.Tuy nhiên hầu hết các ph†ơng trình thiết kế lại dựa trên cấu trúc hở hoặc đ†ợc bọc ngoμi , điều nμycĩ thể gây ra sự khơng thống nhất giữa các kết quả lý thuyết vμ đo l†ờng.

Đầu ra

Kim loại đấu đất

L

w Dải dẫn kim loại l i

Điện mơi

Đầu vμo h

Các tham số cơ bản quan trọng của một cấu trúc dẫn sĩng lμ trở kháng đặc tr†ng Z0, hằng số phaE vμ b†ớc sĩng truyền dẫn Op, hai tham số cuối đ†ợc liên kết bởi :

E=2S/Op (2.1)

Hệ số truyền J đ†ợc cấu thμnh từ hằng số pha vμ hệ số suy giảmD theo cơng thức J =D+jE.Chúng ta sẽ xem xét tr†ờng hợp khơng tổn hao khi D=0.

Trở kháng đặc tr†ng của một đ†ờng truyền khơng tổn hao đ†ợc xác định bởi cơng thức:

C L

Zo (2.2) VớiL vμ C lμ độ tự cảm vμ điện dung trên mỗi đơn vị t†ơng ứng của dây dẫn.Theo cơng thức (1.68) của > @5 , thì trở kháng đặc tr†ng của mạch dải đ†ợc tính nh† sau : ZO= H K . ằ ẳ º ơ ơ ê á ạ ã ă â Đ 1,393 0,67ln 1,444 h w h w -1 .Với w/ h t1 (2.3)

Trong đĩ : K = 120S : lμ trở kháng truyền sĩng của mơi tr†ờng chân khơng.

H - Hệ số điện mơi t†ơng đối hiệu dụng (H<Hr).

2.2.2.Đi ốt bán dẫn.

Trên cơ sở nghiên cứu về chuyển tiếp PN,dựa vμo tính chất của chuyển tiếp vμ các cơng nghệ chế tạo khác nhau mμ hiện nay đã cĩ các loại đi ốt mới đ†ợc sử dụng trong các bộ khuếch đại tần số cao sau đây.

a. Điốt biến dung (varicap)

động tử tạo cho chuyển tiếp một điện dung cĩ giá trị phụ thuộc vμo độ lớn của điện áp ng†ợc lên điốt.

C1 = SPN