CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT KẾ BỘ LỌC CAO TẦN
1.3 Các phương pháp điều chỉnh tần số cộng hưởng
1.3.2 Tụ điện có thể điều chỉnh
1.3.2.1 Tụ điện điều chỉnh được bằng phương pháp cơ học
Tụ điện có thể điều chỉnh bằng phương pháp cơ học cũng có những đặc tính tương tự với cuộn cảm có thể điều chỉnh được. Chúng ta sẽ khơng đề cập chi tiết về loại linh kiện này vì nó rất khó để số hóa q trình điều khiển.
1.3.2.2 Diode biến dung (Varactor diode)
Là một thiết bị bán dẫn có giá trị điện dúng thay đổi như một hàm của điện áp được phân cực ngược trên nó. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi điện dung biến thiên được điều khiển bằng điện áp. Do đó, một diode biến dung có thể được tích hợp như một phần của phương pháp thiết kế bộ lọc điều hưởng.
Hình 1.12 Mơ hình mạch điện tương đương đơn giản [9]
Hình 1.13 Mơ hình SPICE [9]
Giá trị điện dung biến thiên thiên (CJ) là hàm của giá trị điện áp phân cực ngược (VR) cũng như các tham số CJ0, M, VJ. Mơ hình SPICE định nghĩa giá trị điện dung biến thiên như sau[ CITATION Sky \l 1033 ]:
CJ(VR)= CJ0 (1+VR VJ)M ( 1 . 4 3 ) Tổng giá trị điện dung là sự ghép nối song song của giá trị điện dung biến thiên (CJ) và điện dung đóng gói (CP).
CT(VR)= CJ0 (1+VR VJ)M +CP ( 1 .
thể được coi là hằng số. Giá trị được sử dụng nên lấy từ giá trị tối đa đã được chỉ định hoặc bắt nguồn từ đặc tả Q của diode. Điện cảm nối tiếp (LS) cũng được coi là hằng số.
Ưu điểm:
- Nhỏ gọn, rẻ tiền, ít tiêu thụ năng lượng.
- Dải giá trị điện dung điều chỉnh được là khá lớn. - Tốc độ điều chỉnh cao.
- Rất thuận lợi trong các bộ lọc có thể điều chỉnh được.
Nhược điểm
- Khả năng chị công suất rất hạn chế. - Hệ số phẩm chất Q ở mức trung bình. - Đặc tính phi tuyến ở tần số cao [7].
1.3.2.3 Tụ điện điều chỉnh số DTC
Tụ điện điều chỉnh số là các thành phần mạch biến đổi có điện dung được điều khiển bởi một bộ công tắc FET kết hợp với giao diện kỹ thuật số SPI. Các DTC được cấu thành từ các tụ điện MIM có hệ số Q cao và một dãy công tắc FET được đièu khiển số để xác định tổng giá trị của bộ tụ điện có sẵn tại một điều kiện thiết lập nhất định như Hình 1.14. Thiết lập điều khiển này là đầy vào số cung cấp một giá trị nhị phân tương ứng với số chuyển mạch nhất định được bật, do đó xác định có bao nhiêu tụ điện sẽ đóng góp vào tổng giá trị điện dung. Tất cả điều này được chứa trong một khối đơn và cần các thành phần điều khiển bổ sung [10]. Tụ điện MIM thường được kết nối song song với nhau, mỗi tụ điện được kết nối với một chuyển mạch FET trong hàng. Điện dung đạt tối đa khi tất cả các chuyển mạch được bật vì điện dung của các tụ điện kết nối riêng lẻ song song tính tổng. Điện dung đạt tối thiểu khi tất cả các chuyển mạch bị ngắt [8].
Trong hình 1.15 là mạch tương đương DTC. Nó bao gồm ba phần hcính: lõi điều chỉnh (RS và CS), điện cảm đóng gói ký sinh (LS) và mạng rẽ nhánh ký sinh (CP, RP1, RP2).
Hình 1.14 Sơ đồ khối của DTC [10]
Hình 1.15 Mạch điện tương đương của DTC [10]
Một lợi thế của DTC là nó có một đáp ứng rất tuyến tính. Điện dung của nó tỷ lệ thuận với đầu vào từ mạch điều khiển số theo kiểu rời rạc. Độ phân giải phụ thuộc vào số lượng các bước rời rạc giữa giá trị điện dung tối đa và tối thiểu. Ngồi ra sẽ có sự khác biệt về giá trị điện dung giữa cấu hình nối tiếp và song song. Cụ thể, các giá trị điện dung sẽ cao hơn nếu DTC được cấu hình song song so với phần cịn lại của mạch
Hình 1.16 Điện dung DTC trong cấu hình nối tiếp và song song [10]
Giá trị Q phụ thuộc vào cấu hình DTC đang hoạt động. Việc xác định các tổn thất tiêu cực trong kết nối nối tiếp càng khó khăn hơn khi chúng phụ thuộc vào nguồn và trở kháng tải [10]. Giá trị đặc tuyến Q của cấu hình song song phụ thuộc vào giá trị Q của lõi điều chỉnh và điện dung mạng ký sinh. Giá trị Q của DTC trong cấu hình song song giảm theo tần số và trạng thái của nó được thể hiện trong Hình 1.17. Đây là một ttong những nhược điểm và thách thức thiết kế trong việc triển khai DTC cho các dự án [8].
Hình 1.17 Hệ số phẩm chất Q của DTC trong cấu hình song song [10]
Ở trạng thái số 31, đại diện cho 31 tụ điện hoạt động, ở tần số 300MHz hệ số phẩm chất là 40, trong khi tại 2 GHz nó giảm xuống cịn 12. Đây là một trong những nhược điểm và thách thức thiết kế trong việc triển khai DTC cho các dự án.
1.3.2.4 Tụ điện vi cơ điện tử (MEMS)
Là loại tụ điện điều chỉnh được, có kích thước nhỏ, khơng tiêu thụ cơng suất, dải điều chỉnh rộng và ít suy hao. Loại tụ điện này về tính năng rất thích hợp đối với việc thiết kế các bộ lọc thơng dải điều hưởng tuy nhiên nó yêu cầu điện áp điều khiển cao, đồng thời loại linh kiện này vẫn chưa được thương mại hóa một cách rộng rãi. Nói chung, tụ điện có thể điều chỉnh RF-MEMS dễ dàng tích hợp, có những chức năng nổi trội, hoạt động tốt cho các ứng dụng RF. Chúng có đặc tuyến tuyến tính và giá trị cao ở tần số cao.
1.3.2.5 So sánh một số loại tụ điện biến dung
Bảng 1.6 cung cấp cho chúng ta những số liệu so sánh một số loại tụ điện đã được đưa ra ở trên.
Bảng 1.6 So sánh một số loại tụ điện biến dung[8]
Tính chất Diode biến dung MEMS DTC
Khả năng điều chỉnh Tốt Thấp Tốt
Tổn thất RF Vừa phải Rất tốt Vừa phải
Điện áp điều khiển <10V <60V <30V
Tốc độ điều chỉnh Nhanh 1-5 ns Chậm >5 ms Nhanh <12 ns
Khả năng chịu công suất Kém Rất tốt Tốt
Hệ số phẩm chất Q<60 Q<200 Q<50
thất RF trung bình, hoạt động ở tốc độ cao và có khả năng chịu đựng cơng suất tốt tuy nhiên chúng có hệ số phẩm chất Q thấp khi ở tần số cao, giá thành cao.