CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
3.2 Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất
3.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure
Khi các mạch đƣợc cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên. Sự dao động này tạo ra nhiệt. Đối với các mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn, lƣợng nhiệt sinh ra là đáng kể. Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm và ảnh hƣởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống. Trong hệ thống RF, tạp âm đƣợc kết hợp từ nhiều nguồn khác nhau [3].
Tạp âm nội: tạp âm nội đƣợc tạo ra bên trong hệ thống, nên đƣợc gọi là tạp âm nội. Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker Noise.
-Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)
Đây là loại tạp âm đƣợc sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt. Trong các linh kiện điện tử, các tín hiệu ngẫu nhiên đƣợc tạo ra trong các cấu kiện điện tử có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này [3].
Công suất tạp âm đƣợc định nghĩa:
(3.1) Trong đó: P: công suất tạp âm (W).
k: hằng số Boltzmann (J/K). T: Nhiệt độ vật dẫn (K). : băng thông (Hz). -Shot Noise (Shottky Noise)
Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng lƣợng nhƣ electron trong các mạch điện, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ để gây ra những sự dao động có thể dò đƣợc trong các thiết bị đo lƣờng hay các
Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cƣờng độ của ánh sáng. Shot Noise tƣơng tự Thermal Noise, cũng có phân bố dạng Gaussian (tạp âm trắng) [3].
(3.2) Trong đó: I: Dòng điện tạp âm hiệu dụng (A).
q: giá trị điện tích electron 1.6 x 1019
(C). IDC: dòng điện DC (A).
: băng thông (Hz).
-Flicker Noise (1/f Noise)
Còn gọi là Pink Noise, thƣờng xuất hiện ở tần số thấp. Flicker Noise có mật độ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số. Flicker Noise không ảnh hƣởng nhiều đến mạch ở tần số cao [3].
-Hệ số tạp âm Noise Figure (NF)
Ta có công thức sau:
(3.3)
( ) ( )
(3.4) Với mạch hoặc hệ thống có nhiều tầng, ta có công thức sau:
(3.5) Với Fx và Gx lần lƣợt là hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x.
Từ công thức (3.5) ta thấy đƣợc Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là vô cùng quan trọng, ảnh hƣởng đến toàn bộ hệ thống.
3.2.2 Hệ số khuếch đại
Đầu tiên ta cần định nghĩa các thông số S-parameter của mạng 2 cửa. S- parameter là các thông số của ma trận tán xạ [S].
Trong đó các thông số: |
là hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1 (3.6)
|
là tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2 (3.7)
|
là độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa (3.8) |
là hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2 (3.9) Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xạ [S] nhƣ sau:
Hình 3.2: Mạng 2 cửa với nguồn và trở kháng tải. Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất nhƣ sau: Ta định nghĩa các loại độ lợi công suất nhƣ sau:
- Operating Power Gain: là tỷ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình đƣợc cấp bởi mạch.
(3.10)
- Available Power Gain: là tỷ số giữa công suất trung bình hiện hữu cao nhất của mạch điện với công suất trung bình cao nhất đƣợc cấp bởi nguồn.
(3.11)
-Transducer Power Gain (độ lợi công suất chuyển đổi): là tỷ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình cao nhất đƣợc cung cấp bởi nguồn.
(3.12)
Hơn nữa, ta có L, S, là các hệ số phản xạ tại nguồn ZS và tại trở kháng tải ZL; in, out là hệ số phản xạ tại đầu vào và đầu ra tƣơng ứng và đƣợc xác định
(3.13) (3.14) (3.15) (3.16) Trong đó: Z0 là đặc tính tham số trở kháng của mạng 2 cửa.
Zin: là trở kháng nhìn từ cửa 1 của mạng 2 cửa. S11, S12, S21, S22 là các tham số S của mạng 2 cửa. Từ đó ta có thể viết lại các độ lợi công suất G, GA và GT nhƣ sau:
| | ( | | ) ( | | )| | (3.17) | | ( | | ) ( | | )( | | ) (3.18) | | ( | | )( | | ) | | | | (3.19) 3.2.3 Tính ổn định của hệ thống
Một mạch khuếch đại ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đƣa vào mà không trở thành một mạch dao động. Mạch cao tần đặc trƣng bởi một hệ số ổn định K, đƣợc định nghĩa bởi công thức sau [3]:
| | | | ||
| | (3.20) Trong đó: || | | (3.21) Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: K > 1 và || < 1.
3.2.4 Độ tuyến tính
Mạch khuếch đại lý tƣởng là mạch tuyến tính hoàn toàn. Có nghĩa là với mọi tín hiệu vào sẽ đều đƣợc mạch khuếch đại. Tuy nhiên, đa số các mạch trong thực tế chỉ tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó.
Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra đƣợc khuếch đại tuyến tính. Tín hiệu vào tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng theo, đến một mức giới hạn bão hoà của một trong các linh kiện của mạch. Điểm nén 1dB đƣợc định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tƣởng).
Bằng cách giảm bớt độ lợi để tín hiệu không méo dạng. Điểm nén 1dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch [3].
Hình 3.3: Điểm nén 1dB và Điểm chặn bậc 3
Để đánh giá mức tuyến tính của mạch, ngƣời ta dùng thông số Điểm chặn bậc 3 (Third Order Intercept Point). Điểm chặn bậc 3 là điểm mà ở đó biên độ phổ bậc 3 trùng với biên độ phổ bậc 1 [3].
Theo định nghĩa, giá trị của điểm nén 1dB và điểm chặn bậc 3 nhƣ sau: - Biên độ điểm nén 1dB:
√ (3.22) - Biên độ điểm IIP3:
- √ (3.23) - Ngoài ra, ta cũng có:
(3.24) (3.25)
Trong đó 1, 3 : là các hệ số trong phép khai triển Taylor tín hiệu ra. OIP3: Output3rd Order Intercept Point.
IIP3: Input 3rd Order Intercept Point. dBc: Độ lớn công suất nền nhiễu. Pout: Công suất tín hiệu tại ngõ ra. Hệ thống nhiều tầng:
(3.26)