3.2 Nghiên cứu các giải pháp thiết kế mạch tạp âm thấp
3.2.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm
Cấu trúc mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp đề xuất sử dụng 2 tầng như Hình 3.4. Để tăng độ rộng băng tần khuếch đại và giảm tạp âm thì tầng 1 đề xuất thiết kế mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp âm, tầng 2 thiết kế để tăng hệ số khuếch đại. Mạch khuếch đại hồi tiếp sử dụng điện trở nối tiếp và song song thể hiện trên Hình 3.25[22].
Hình 3.25 Mạch khuếch đại FET sử dụng hồi tiếp âm
(3.18) (3.19)
Trong đó gm và Z0 là độ hỗ dẫn của transistor và trở kháng đặc tính 50Ω. Giả sử trong điều kiện phối hợp lý tưởng S11=S22=0 ta có:
(3.20)
Từ công thức (3.20) có thể thấy rằng độ hỗ dẫn nhỏ nhất có thể đạt được khi R1 = 0 do vậy ta có thể xác định được gm(min):
(3.21)
Từ công thức (3.20) ta có thể tính được R2:
| | (3.22)
Từ công thức (3.22) cho thấy giá trị S21 chỉ phụ thuộc vào giá trị R2 mà không phụ thuộc vào tham số S của transistor. Do vậy dải khuếch đại và độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại có thể đạt được nhờ mạch hồi tiếp âm. Để thực hiện quá trình hồi tiếp âm thì một cuộn cảm L được nối tiếp với điện trở R2 để đảm bảo pha của tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào.
Sử dụng transistor SPF3043 với các tham số S được cho ở Bảng 3.2. Nhiệm vụ thiết kế tầng đầu mạch khuếch đại tạp âm thấp, dải rộng với hệ số khuếch đại G >10dB.
Bảng 3.2 Tham số S của transistor SPF3043 trong dải 3,4 – 4,2GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
3,4 0,6313 -91,115 6,880 102,19 0,0579 50,086 0,4089 -45,918 3,7 0,5950 -97,975 6,598 96,856 0,0605 48,092 0,3863 -49,291 3,8 0,5713 -102,54 6,456 93,297 0,0623 46,762 0,3716 -51,540 4,2 0,5483 -108,27 6,195 88,519 0,0650 45,273 0,3575 -54,799
Hình 3.26 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm
Từ Bảng 3.2 ta thấy hệ số khuếch đại nhỏ nhất là 15,8dB ở tần số 4,2GHz. Do vậy nếu đạt G = 10dB thì S21 = -3,16, do vậy R2 = 208 Ω, gm = 83 mS. Mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp với thiết kế mạch phối hợp trở kháng được thể hiện trên Hình 3.26.
Sử dụng phần mềm ADS kết hợp với file thông số S-parameter SPF3043.s2p để mô phỏng, kết quả mô phỏng các tham số của mạch khuếch đại thể hiện ở các hình sau:
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại 2 tầng đạt giá trị lớn hơn 34,467 dB trong dải khuếch đại rộng. Hệ số khuếch đại ngược đạt -42,744dB. Kết quả phối hợp trở kháng của mạch khuếch đại 2 tầng tương đối tốt.
Hình 3.28 Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại nhỏ hơn 1,11dB trong dải khuếch đại và đạt giá trị nhỏ nhất là 0,795 dB ở tần số 3,75 GHz.
Sử dụng phần mềm ADS để thiết kế layout mạch, thực hiện chế tạo mạch với sự hỗ trợ các thiết bị trong phòng thí nghiệm. Kết quả mạch thực tế thể hiện trên Hình 3.29.
Hình 3.29 Mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp
Thực hiện phân cực cho transistor với điện áp phân cực UGS = -0,8V và UDS = 5V để transistor làm việc ở chế độ A. Kết quả được kiểm tra trên máy phân tích mạng Vector network analyzer 37369D với các tham số của mạch thể hiện trên hình vẽ dưới:
Hình 3.30 Hệ số khuếch đại của mạch LNA (S21)
Hình 3.31 Hệ số khuếch đại ngược của mạch LNA (S12)
Từ kết quả đo cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 23,28dB trong dải tần rộng và khá bằng phẳng, giá trị lớn nhất đạt 25,49dB tại tần số 4,05GHz. Tương tự như kết quả mạch khuếch đại tạp âm ở mục 3.2.2 hệ số khuếch đại của mạch đo được nhỏ hơn so với kết quả mô phỏng, nhưng trong thiết kế mạch siêu
cao tần đây là giá trị rất tốt đối với mạch khuếch đại 2 tầng. Hệ số S12 có giá trị rất tốt nhỏ hơn -42 dB trong cả dải tần làm việc.
Hình 3.32 Hệ số phản xạ đầu vào (S11)
Kết quả đo và kết quả mô phỏng hệ số phản xạ đầu ra S11 đều có giá trị <-12dB trong cả dải tần công tác 3,4 – 4,2GHz.
Tương tự như vậy hệ số phản xạ đầu ra đo được và kết quả mô phỏng đều nhỏ hơn –11,85 dB trong dải tần làm việc với giá trị nhỏ nhất xấp sỉ nhau.
Hình 3.34 Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch
Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp âm có giá trị nhỏ hơn 1 dB trong dải tần 3,4 GHz đến 4,2 GHz. Kết quả này cũng tốt hơn so với công trình số [49], [24].