Chapter 2 Khuếch đại RF
2. Lý thuyết chung về khuếch đại RF
Khuếch đại là tăng biên độ tín hiệu đầu ra so với đầu vào mà khơng làm méo tín hiệu ở trong một dải tần cơng tác cho trước…
Có khuếch đại tín hiệu nhỏ (tuyến tính), tín hiệu lớn (phi tuyến)
Chương 2 học khuếch đại tín hiệu nhỏ, tuyến tính, nhưng ở dải tần số cao
Thế nào là tín hiệu nhỏ, thế nào là tín hiệu lớn (nhỏ là tuyến tính, lớn phà phi tuyến), liên quan đến đầu vào của bộ khuếch đại, xem lại kiến thức của điện tử tương tự, biên độ của tín hiệu đầu vào thế nào là lớn hay nhỏ
Để học tốt chương này chúng ta phải ôn lại 1 số kiến thức như sau:
- Liên quan đến tính tốn số phức, cộng trừ nhân chia số phức (dùng máy tính casio)
- Một số cơ bản về transistor trường
- Mạng nhiều cực siêu cao tần: ma trận tán xạ S - Lý thuyết đường truyền siêu cao tần
- Đồ thị smith: cấu trúc, các tính chất quan trọng, phối hợp trở kháng trên đồ thị smith
- Khuếch đại tín hiệu nhỏ, khuếch đại cơng suất
- Các chế độ hoạt động cơ bản của tầng khuếch đại công suất
2.1. Thiết kế mạch khuếch đại RF
Thiết kế để đạt được hệ số khuếch đại lớn nhất
Ví dụ:
Thiết kế bộ khuếch đại cao tần tại 4 GHz với hệ số khuếch đại công suất lớn nhất sử dụng bóng GaAs MESFET có các tham số ma trận tán xạ như sau (Z = 50Ω):
f(GHz) S11 S12 S21 S22
4.0 0.72∠−1160 0.03∠−570 2.60∠−760 0.73∠−540
5.0 0.66∠−1420
Thiết kế với hệ số khuếch đại cơng suất bất kỳ Quy trình tính tốn, thiết kế bộ khuếch đại RF
2.2. Định nghĩa về hệ số khuếch đại cơng suất của M4C Ví dụ:
Cho 1 transistor lưỡng cực f=1GHz, Z0=50Ω
[S]:S11=0,38∠−158OS12=0,11∠−54OS21=3,50∠−80OS22=0,40∠−43O Zs=25Ω,ZL=40Ω Tính G ,GA,GT S11=|S11|. ej φ11=|S11|∠ϕ11=|S11|.(cosϕ11+j .sinϕU) ΓL=ZL−Z0 ZL+Z0=40−5040+50=−0,333(Γ đọc là gama)ΓS=ZS−Z0 ZS+Z0=25−5025+50=−0,111 Γ¿=S11+S12.S21. ΓL 1−S22.ΓL=0,365∠−152OΓout=S22+S12.S21.ΓS 1−S11. ΓS=0,545∠−43O⇒G=¿⇒GA=¿ ⇒GT=¿
Nhận xét: thực tế người ta không mong muốn thiết kế đạt tới GA do nó sẽ làm bộ
khuếch đại có DT hẹp (GAđạt tại1f), mong muốn đạt tới GT vì nó làm việc trong một dải
tần
G>GT vì Pavs lớn hơn P¿ (P¿ bị phản xạ ) mà G2=PamP2 ⇒G>GT
2.3. Đồ thị smith
- Tất cả các điểm cùng nằm trên đường trịn có chung module hệ số phản xạ, nhưng khác nhau về pha, pha được tính từ trục hồnh ngược chiều kim đồng hồ
- Ví dụ: góc φ = 700, xác định module trước sau đó quay vịng trịn bán kính = module, và tìm điểm A 700
- Điểm mơ tả dẫn nạp trở kháng lấy được khi lấy đối xứng điểm qua tâm O - Vòng tròn đơn vị
- Họ vòng tròn điện kháng chuẩn hóa (điện nạp chuẩn hóa)
{X=const B=const
- Họ vịng trịn phía trên mang tính cảm, phía dưới mang tính dung
{X>0,B<0:tính cảm X<0, B>0:tính dung
Ví dụ: Xét sơ đồ tương đương của 1 transistor FET như hình vẽ Đọc lại transistor BJT và transistor trường và mạch tương đương Hỗ dẫn có vai trị rất quan trọng
Nội dung tiếp theo
- Độ ổn định của mạng 4 cực
Stability: tại sao quan tâm đến độ ổn định của hệ số khuếch đại
Hiện tượng tự kích, tự dao động nghĩa là sau khi đã thiết kế xong bộ khuếch đại đầu tiên kiểm tra các tham số 1 chiều trước, bộ khuếch đại có 2 đầu, đầu vào đầu ra, bước kiểm tra tiếp theo là kiểm tra 2 đầu ra xem chưa có tín hiệu đầu vào mà có tín hiệu đầu ra hay chưa, nếu có đó chính là tự kích rất nguy hiểm; đó là hồi tiếp dương nếu cấp tín hiệu đầu vào kết hợp với hồi tiếp dương sẽ dẫn đến hỏng bóng, hỏng bộ khuếch đại
Nếu mạch tự kích phải làm thế nào? Dựa vào kinh nghiệm để triệt tín hiệu tự kích đi (gắn thêm điện trở… vào đâu?)
Độ ổn định phụ thuộc vào tần số làm việc, và phụ thuộc vào điểm làm việc của transistor
Ví dụ:
Một bóng bán dẫn hiệu Triquint T1G6000528 GaN HEMT có các tham số ma trận tán xạ tại tần số 1.9 GHz (Z0=50Ω) như sau:
S11=0.869∠−1590,S12=0.031∠−90,S21=4.250∠−610,S22=0.507∠−−1170
Hãy các định độ ổn định của bóng dẫn này sử dụng tiêu chuẩn rollet và tiêu chuẩn μ. Vẽ vòng tròn ổn định trên đồ thị Smith? Lời giải: 1. Sử dụng tiêu chuẩn K_∆ Điều kiện cần: K=1−|S11|2−|S12|2+|∆|2 2|S12S21| >1thay số K=0,383 Điều kiện đủ: |∆|=|S11S22−S12S21|<1Thay số ∆=0,336 2. Sử dụng tiêu chuẩn μ: μ= 1−|S11|2 |S22−∆ S11¿|+|S12S21| thay số μ=0,678 ⇒ bóng bán dẫn ổn định có điều kiện 3. Vẽ họ các vòng tròn ổn định: CL=(S22−∆ S11¿ )¿ |S22|2 −|∆|2 =1,59∠1320
RL= S12S21 |S22|2−|∆|2=0,915 CS=(S11−∆ S22¿ )¿ |S22|2 −|∆|2 =1,09∠1620 RS= S12S21 |S11|2 −|∆|2=0,205