Tài liệu Nghiên cứu các phương pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suát rf băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- DƢƠNG HIỆP NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT RF BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Nguyễn Xuân Quyền Hà Nội – Năm 2017 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 7 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................... 8 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11 TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ 13 CHƢƠNG 1: CƠ BẢN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN........................ 15 1.1. Khái niệm............................................................................................................. 15 1.2. Các thông số cơ bản của một mạch khuếch đại công suất cao tần ...................... 15 1.2.1. Công suất đầu ra ............................................................................................ 15 1.2.2. Độ lợi công suất ( power gain) ...................................................................... 16 1.2.3. Độ đồng đều khuếch đại ( gain flatness) ....................................................... 16 1.2.4. Hiệu suất ....................................................................................................... 16 1.2.5. Độ tuyến tính ................................................................................................. 17 1.2.6. Độ ổn định ..................................................................................................... 18 1.3. Các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất ........................................ 18 1.3.1. Khuếch đại chế độ A ..................................................................................... 20 1.3.2. Khuếch đại chế độ B ..................................................................................... 22 1.3.3. Khuếch đại chế độ AB................................................................................... 23 2 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng 1.3.4. Khuếch đại chế độ C ..................................................................................... 23 1.3.5. Khuếch đại chế độ chuyển mạch ................................................................... 23 1.4. Giới hạn băng thông trong thiết kế mạch khuếch đại công suất.......................... 25 1.4.1. Giới hạn băng thông của mạng phối hợp trở kháng ...................................... 25 1.4.2. Phản ứng với trở kháng đầu ra ...................................................................... 27 1.5. Các phƣơng pháp khuếch đại công suất băng rộng ............................................. 28 1.5.1. Mạch khuếch đại phân tán ............................................................................. 28 1.5.2. Mạch khuếch đại cân bằng ............................................................................ 29 1.5.3. Mạch khuếch đại đẩy kéo .............................................................................. 30 1.6. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 31 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BĂNG RỘNG ....... 33 2.1. Khái niệm............................................................................................................. 33 2.2 Hệ số phẩm chất Q ................................................................................................ 35 2.3. Tiêu chuẩn Bode-Fano ......................................................................................... 37 2.3. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng các phần tử hỗn hợp. ........................ 40 2.3.1. Mạch L-Network .......................................................................................... 41 2.3.2. Mạch π-network ........................................................................................... 43 2.3.3. Mạch T-Network ........................................................................................... 46 2.3.4. Ví dụ về mạch phối hợp trở kháng sử dụng phần tử tập trung ...................... 48 2.4. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng đƣờng mạch vi dải. ........................... 53 2.5. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng transformer ....................................... 59 3 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng 2.5.1. Ở tần số thấp .................................................................................................. 62 2.5.2. Ở tần số cao ................................................................................................... 63 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG RỘNG ........ 67 3.1. Mục tiêu ............................................................................................................... 67 3.2. Lựa chọn giải pháp và transistor .......................................................................... 68 3.3. Phân cực một chiều cho transistor. ...................................................................... 69 3.4. Khảo sát độ ổn định ............................................................................................. 71 3.5. Xác định trở kháng transistor............................................................................... 74 3.6. Bộ biến đổi trở kháng .......................................................................................... 77 3.7. Phân tích với tín hiệu nhỏ .................................................................................... 80 3.7. Phân tích tín hiệu lớn ........................................................................................... 82 3.8. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 85 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 88 4 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn này là kết quả tìm kiếm và nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hỗ trợ và chỉ bảo của ngƣời hƣớng dẫn. Các kết quả và dữ liệu đƣợc nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thông tin trích dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong luận văn này Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn Dƣơng Hiệp 5 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT FM Frequency Modulation (điều chế tần số). BALUN Balance – unbalance (bộ biến đổi cân bằng – bất cân bằng) RF Radio frequency (tần số vô tuyến điện) LOS Light of sight ( tầm nhìn thẳng) PA Power Amplifier ( khuếch đại công suất) IMD3 Third-order intermodulation distortion (méo điều chế trong bậc 3) PAE Power added effiency (hiệu suất chèn) VHF Very-high frequency (tần số rất cao) UHF Ultra-high frequency (tần số siêu cao) BW Band width (băng thông) EER Envelop Elimination and Eestoration (khử và khôi phục đƣờng bao) LINC Linear amplification using nonlinear components (khuếch đại tuyến tính sử dụng phần tử phi tuyến). 6 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính của mạch khuếch đại công suất ............................... 67 Bảng 3.2: So sánh các kết quả ........................................................................................ 85 7 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống thông tin đơn giản .................................................. 15 Hình 1.2: Cấu trúc một mạch khuếch đại cơ bản. .......................................................... 19 Hình 1.3: Phân loại transistor dựa trên điện áp phân cực. ............................................. 20 Hình 1.4: Góc mở dòng điện chế độ A .......................................................................... 21 Hình 1.5: Dạng sóng dòng điện và điện áp chế độ A..................................................... 21 Hình 1.6: Dạng sóng dòng điện và điện áp ở chế độ B. ................................................. 22 Hình 1.7: Sơ đồ mạch khuếch đại chế độ E ................................................................... 24 Hình 1.8: Trở kháng đầu ra bị thay đổi bởi các phần tử phản ứng. ............................... 27 Hình 1.9: Cấu trúc mạch khuếch đại phân tán ............................................................... 28 Hình 1.10: Cấu trúc mạch khuếch đại cân bằng ............................................................ 30 Hình 1.11: Cấu trúc mạch khuếch đại đẩy kéo .............................................................. 31 Hình 2.1: Sơ đồ tƣơng đƣơng thể hiện mối quan hệ giữa nguồn và tải ......................... 33 Hình 2.2: Sơ đồ mạch RLC mắc nối tiếp ....................................................................... 35 Hình 2.3: Đáp ứng tần số của mạch RLC mắc nối tiếp ................................................. 36 Hình 2.4: Các mô hình tƣơng đƣơng với các dạng tải khác nhau .................................. 38 Hình 2.5: Bộ lọc lý tƣởng với băng thông rộng (a) và hẹp (b) ...................................... 39 Hình 2.6: Các dạng mạch phối hợp trở kháng bằng các phần tử hỗn hợp ..................... 40 Hình 2.7: Mạch phối hợp trở kháng L-transformer ....................................................... 41 Hình 2.8: Mạch L-transformer tƣơng đƣơng sau khi tách thành 2 thành phần.............. 42 Hình 2.9: mạch phối hợp L-network .............................................................................. 42 Hình 2.10 : Sơ đồ mạch Lc- network ............................................................................. 43 Hình 2.11: Chuyển đổi mạng π thành mạng L ............................................................... 44 Hình 2.12. Mạch chuyển đổi của T-transformer ............................................................ 46 8 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng Hình 2.13. Mô hình tƣơng đƣơng mạch 𝜋 − 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑟 ......................................... 48 Hình 2.14. Kết quả tính toán và mô phỏng mạch phối hợp sử dụng mô hình πtransformer. .................................................................................................................... 50 Hình 2.15. Kết quả tính toán (a), mô phỏng (b) với trƣờng hợp BW=10Mhz.............. 53 Hình 2.16 : Sơ đồ tƣơng đƣơng của đƣờng truyền vi dải ............................................. 54 Hình 2.17. Sơ đồ tƣơng đƣơng phƣơng pháp sử dụng transmission line với dạng Ltransformer ..................................................................................................................... 56 Hình 2.18: Mạch πvới đƣờng truyền vi dải .................................................................... 57 Hình 2.19: Chuỗi mạch L-transformer sử dụng đƣờng truyền vi dải. ........................... 58 Hình 2.20: Giản đồ Smith mô tả việc phối hợp trở kháng ............................................. 59 Hình 2.21: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng Transformer .......................................... 60 Hình 2.22: Sơ đồ cấu hình của coaxial cable transformer ............................................. 60 Hình2.23: Các dạng mạch tƣơng đƣơng của “coaxial cable transformer” .................... 61 Hình 2.24: Sơ đồ tƣơng đƣơng của transformer ở tần số thấp ....................................... 62 Hình 2.25: Sơ đồ transformer tỉ lệ 4:1 ........................................................................... 63 Hình 2.26: Sơ đồ tƣơng đƣơng của transformer sử dụng cable ..................................... 64 Hình 2.27: Cấu trúc một balun sử dụng cable đồng trục. .............................................. 65 Hình 2.28: Đáp ứng theo tần số của balun ..................................................................... 66 Hình 3.1: Hình ảnh minh họa transistor MRFE6VP5600HR6 ...................................... 69 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng đặc tuyến 1 chiều cho transistor ........................ 70 Hình 3.3: Kết quả khảo sát chế độ một chiều ................................................................ 71 Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng bộ tham số tán xạ S ............................................................. 72 Hình 3.5: Kết quả mô phỏng S11 ................................................................................... 73 Hình 3.6: Sơ đồ mạch sau khi thêm hồi tiếp .................................................................. 73 Hình 3.7: Kết qura mô phỏng sau khi thêm mạch hồi tiếp ............................................ 74 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng load pull .............................................................................. 75 9 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng Hình 3.9: Kết quả mô phỏng load-pull .......................................................................... 76 Hình 3.10: Lựa chọn điểm trở kháng tại marker m3...................................................... 77 Hình 3.11: Nguyên lý balun ........................................................................................... 77 Hình 3.12: Kết quả mô phỏng balun .............................................................................. 78 Hình 3.13: Sơ đồ mạch biến đổi trở kháng 4:1 đầu vào................................................. 79 Hình 3.14: Sơ đồ mạch biến đổi trở kháng 1:4 đầu ra ................................................... 79 Hình 3.15: Sơ đồ mạch khuếch đại ................................................................................ 80 Hình 3.16: Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 80 Hình 3.17: Sơ đồ mạch khuếch đại sau khi thêm các linh kiện phụ trợ......................... 81 Hình 3.18: Kết quả mô phỏng sau khi thêm linh kiện ................................................... 81 Hình 3.19: Sơ mồ mô phỏng cân bằng hài ..................................................................... 82 Hình 3.20: Kết quả mô phỏng gain và công suất ra với tín hiệu lớn. ............................ 83 Hình 3.21: Kết quả mô phỏng dòng điện tiêu thụ và hiệu suất ...................................... 83 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng các thành phần tần số hài............................................... 85 10 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong một hệ thống thu phát sóng vô tuyến điện, khuếch đại công suất là một khâu rất quan trọng và ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng, tính năng kỹ thuật của sản phẩm.Nhu cầu truyền thông tin tốc độ càng cao, mạch khuếch đại công suất càng phải có băng thông rộng và “đa năng“- tức là có khả năng hoạt động ở một dải tần rất rộng. Ngày nay, khuếch đại công suất đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc, từ việc phát triển các công nghê chế tạo linh kiện khuếch đại thế hệ mới đến các kỹ thuật xây dựng cấu trúc mạch khuếch đại công suất với băng thông lớn, hiệu suất cao. Đi kèm với nó, các mạng phối hợp trở kháng cũng phải đƣợc thiết kế sao cho mạch khuếch đại công suất đạt đƣợc đầy đủ tính năng kỹ thuật. Do vậy tác giả quyết định chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng” nhằm mục đích nghiên cứu các phƣơng pháp làm cho một mạch khuếch đại công suất có thể khuếch đại tín hiệu với một băng thông lớn, công suất cao. 2. Lịch sử nghiên cứu Năm 1939, nhà khoa học mang tên Darlington đã đƣa ra lý thuyết về một hàm toán học mô tả trở kháng bao gồm phần thực và phần ảo. Ngƣời ta nhận thấy rằng đồ thị Smith ra đời với mục đích ban đầu là phân tích đƣờng truyền sóng cũng có thể áp dụng đƣợc cho việc mô tả một giá trị trở kháng. Lý thuyết về băng thông ra đời vào năm 1948 đã bắt đầu giải quyết đƣợc các vấn đề tăng băng thông bằng cách sử dụng lý thuyết bộ lọc. Năm 1956, kỹ thuật tối ƣu hóa ra đời để giảm thiểu một hàm vô hƣớng phi tuyến của nhiều biến có thể bị hạn chế bằng nhiều cách khác nhau. Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ số, các mô hình hóa hệ thống, mạng phối hợp đƣợc đƣa lên máy tính để thực hiện mô phỏng thiết kế, giúp ngƣời thiết kế tiết kiệm đƣợc một 11 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng khoản chi phí cũng nhƣ tiết kiệm rất nhiều thời gian. Các phần mềm mô phỏng rất mạnh hiện nay nhƣ ADS, AWR hay ANSYS đang ngày càng hoàn thiện và hiệu quả hơn, giúp thiết kế dễ dàng và thuận tiện. 3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về các kỹ thuật phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất băng rộng và áp dụng một trong các kỹ thuật này vào một mạch cụ thể. Đối tƣợng nghiên cứu bao gồm: các transistor khuếch đại công suất, mạch phối hợp trở kháng và các phần mềm hỗ trợ mô phỏng mạch điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: các thông số của một mạch khuếch đại công suất băng rộng, cấu trúc một hệ thông khuếch đại công suất băng rộng và các kỹ thuật phối hợp trở kháng băng rộng. 4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Trong phạm vi luận văn đã đƣa ra đƣợc các lý thuyết cơ bản của một mạch khuếch đại công suất, các phƣơng pháp khuếch đại công suất băng rộng, các phƣơng pháp phối hợp trở kháng băng rộng và ứng dụng mô phỏng một mạch cụ thể. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu chính thông qua các nguồn tƣ liệu đã xuất bản, các bài báo đăng trên các tạp chí khoa học, datasheet của linh kiện, các diễn đàn thảo luận liên quan đến nội dung cần nghiên cứu. Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích tính toán lý thuyết và mô phỏng trên một mạch cụ thể để kiểm chứng. 12 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, cùng với việc tìm hiểu các sách báo trong và ngoài nƣớc, tìm hiểu các thiết kế thực tế, tác giả đã chọn nghiên cứu để tài:“ nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng ”. Nội dung của luận văn gồm có: Chƣơng 1: Cơ bản về khuếch đại công suất cao tần Chƣơng này trình bày lý thuyết cơ bản của một mạch khuếch đại công suất, các thông số cơ bản và các phƣơng pháp khuếch đại để có thể đạt đƣợc băng rộng. Chƣơng 2:Các phƣơng pháp phối hợp trở kháng băng rộng Chƣơng này đƣa ra các phƣơng pháp phối hợp trở kháng băng rộng và phƣơng pháp đánh giá. Chƣơng 3: Thiết kế mạch khuếch đại trở kháng băng rộng Chƣơng này trình cách thức xây dựng một mạch khuếch đại công suất băng rộng, đồng thời áp dụng một trong các phƣơng pháp phối hợp trở kháng đã nêu. 13 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng ABSTRACT In the framework of the thesis, along with the understanding of the paper at home and abroad to find design facts, the author chose to research: "research refreshing method to appeal" amplifies broad band RF power "The content of the thesis include: Chapter 1: Basic of high frequency power amplifier This chapter presents the basic theory of a power amplifier, basic parameters and amplification methods in order to achieve broadband. Chapter 2: Broadband impedance matching methods This chapter outlines methods for combining broadband impedance and evaluation methods. Chapter 3: Broadband impedance circuit design This chapter demonstrates how to build a broadband power amplifier while applying one of the stated impedance matching methods. 14 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng CHƢƠNG 1: CƠ BẢN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN 1.1. Khái niệm Khuếch đại công suất là một phần quan trọng của một thiết bị thông tin vô tuyến điện. Hình 1.1 mô tả vị trí của mạch khuếch đại công suất trong một hệ thống thông tin đơn giản. Khuếch đại công suất đƣợc hiểu là một mạch điện dùng để chuyển đổi điện áp một chiều thành năng lƣợng sóng cao tần bằng cách khuếch đại tín hiệu cao tần đầu vào. Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống thông tin đơn giản Có nhiều cách để có thể thiết kế một mạch khuếch đại công suất cao tần, tùy từng ứng dụng và yêu cầu cụ thể, ngƣời thiết kế sẽ lựa chọn một dạng mạch cụ thể. 1.2. Các thông số cơ bản của một mạch khuếch đại công suất cao tần 1.2.1. Công suất đầu ra Công suất nhận đƣợc trên tải đƣợc coi nhƣ là công suất đầu ra Pout . Trong hầu hết các trƣờng hợp, mọi ngƣời chỉ quan tâm tới công suất tại điểm tần số công tác ( fundamental frequency). Tuy nhiên Pout đƣợc tính toán bởi thành phần dòng điện qua tải iout và điện áp trên tải vout và đƣợc tính bởi công thức: 15 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng Pout = ½ real(vout * iout) |f=fo (1.1) Transistor đƣợc sử dụng trong mạch khuếch đại công suất phải có một số thông số điển hình nhƣ IDSS ( drain saturation current) và Vbr(breakdown voltage). Thƣờng thì các thông số này sẽ giống nhau cho phần lớn các transistor và sẽ quyết định tới công suất ra lớn nhất của transistor. 1.2.2. Độ lợi công suất ( power gain) Độ lợi của một mạch khuếch đại là tỉ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào mạch khuếch đại và nó đƣợc định nghĩa bằng nhiều cách. Với mạch khuếch đại công suất, định nghĩa thƣờng đƣợc dùng của độ lợi công suất là độ lợi công suất chuyển đổi ( GT) và độ lợi hoạt động ( GP). Các định nghĩa 𝐺𝑇 = 𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛 𝑕ậ𝑛đượ𝑐𝑡𝑟 ê𝑛𝑡 ả𝑖 𝐺𝑃 = 𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛 𝑕ậ𝑛đượ𝑐𝑡𝑟 ê𝑛𝑡 ả𝑖 𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛𝑔𝑢 ồ𝑛𝑝 𝑕á𝑡 𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔 đầ𝑢𝑣à𝑜𝑘𝑕𝑢ế𝑐𝑕đạ𝑖 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑎𝑣𝑠 𝑃𝑖𝑛 (1.2) (1.3) 1.2.3. Độ đồng đều khuếch đại ( gain flatness) Độ đồng đều khuếch đại là sự thay đổi của độ lợi khuếch đại theo tần số. Sự thay đổi của độ lợi theo tần số có thể sẽ gây ra méo. Do vậy, các mạch khuếch đại công suất phải có độ đồng đều nhất định trong cả dải tần hoạt động mong muốn. 1.2.4. Hiệu suất Hiệu suất có thể đƣợc xác định bằng nhiều cách, cách thƣờng dùng nhất là hiệu suất cực máng (drain efficiency – η ) và hiệu suất chèn (power added effiency - PAE). Hiệu suất cực máng đƣợc định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất đầu ra (Pout) và tổng công suất tiêu thụ nguồn điện ( PDC) và đƣợc tính theo công thức: 𝜂= 𝑃𝑜𝑢𝑡 (1.4) 𝑃𝐷𝐶 16 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng PAE đƣa ra ảnh hƣởng của công suất đầu vào tới mạch, đƣợc tính bởi công thức: 𝑃𝐴𝐸 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 −𝑃𝑖𝑛 𝑃𝐷𝐶 (1.5) Ở đây, Pout =PinGp, 𝑃𝐴𝐸 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 −𝑃𝑖𝑛 𝑃𝐷𝐶 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝐷𝐶 1− 1 𝐺𝑝 =η 1− 1 𝐺𝑝 (1.6) Công thức trên cho thấy PAE phụ thuộc vào độ lợi của mạch khuếch đại. Nếu độ lợi rất nhỏ ( nhỏ hơn 1), PAE có thể ra giá trị âm. 1.2.5. Độ tuyến tính Độ tuyến tính là một thông số rất quan trọng của một hệ thống cao tần băng rộng. Tín hiệu phi tuyến vào lớn có thể làm đầu ra đạt giá trị cực đại và gây hiện tƣợng cắt đỉnh tín hiệu. Tính phi tuyến của một mạch khuếch đại gây ra méo AM-AM và méo AM-PM. Có nhiều cách đánh giá độ phi tuyến của một mạch khuếch đại. Cách đơn giản nhất là đo điểm nén 1dB ( P1dB) cho tín hiệu đơn tần. Phƣơng pháp thứ 2 là đo sóng đôi ( two-tone), phƣơng pháp này sẽ đƣa ra thông tin về méo điều chế trong, thƣờng dùng đo điểm cắt méo bậc 3 ( third-order intermodulation distortion – IMD3). Độ tuyến tính thƣờng tỉ lệ nghịch với hiệu suất làm việc. vd với mạch khuếch đại chế độ A, độ tuyến tính rất cao nhƣng hiệu suất rất thấp. Các chế độ hoạt động khác nhƣ B hay AB có độ tuyến tính rấp thấp nhƣng lại có hiệu suất cao. Có một số phƣơng pháp thay đổi cấu trúc mạch sao cho vừa có hiệu suất cao, vừa có độ tuyến tính cao nhƣ : feed-forward, Doherty, khử và khôi phục đƣờng bao và LINC ( khuếch đại tuyến tính với các phần tử phi tuyến). 17 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng 1.2.6. Độ ổn định Độ ổn định là một yêu cầu chắc chắn khi thiết kế mạch khuếch đại công suất và có thể đƣợc đánh giá bởi ma trận tán xạ S, mạng phối hợp trở kháng. Dao động bị sinh ra khi đầu vào hoặc đầu ra xuất hiện giá trị trở kháng âm. Chúng xuất hiện khi |Γ|IN> 1hoặc |Γ|OUT> 1. Hệ số ổn định K thƣờng đƣợc đánh giá và đƣợc đƣa ra bởi phƣơng trình: 𝐾= 1−|𝑆11 |2 −|𝑆22 |2 + ∆2 2|𝑆12 𝑆21 | ∆= |𝑆11 𝑆22 − 𝑆12 𝑆21 | (1.7) Nếu K>1 và |∆| <1, thiết kế sẽ không đạt trạng thái ổn định. Hệ thống đạt ổn định khi K<1. Khi một mạch khuếch đại rơi vào trạng thái mất ổn định, mạch điện sẽ tự dao động và cộng hƣởng tần số đó lên và gây ra hiện tƣợng tự kích. Nếu không xử lý hiện tƣợng tự kích kịp thời, mạch điện sẽ bị hƣ hỏng. 1.3. Các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất Bản chất của việc thiết kế mạch khuếch đại công suất là việc lựa chọn điểm định thiên cho transistor và thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào và ra để đạt đƣợc yêu cầu kỹ thuật. Với mỗi điểm định thiên và mạng phối hợp trở kháng, mạch khuếch đại đƣợc phân loại theo chế độ và đƣợc gán theo các chữ cái theo bảng chữ cái alphabet. Hình 1.2 mô tả cấu trúc cơ bản của một mạch khuếch đại. Mục đích của mạch phối hợp dùng để tìm ra trở kháng yêu cầu của transistor bằng cách sử dụng các phần tử rờirạc. 18 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng Hình 1.2: Cấu trúc một mạch khuếch đại cơ bản. Chƣơng này sẽ giới thiệu vắn tắt các chế độ hoạt động của một mạch khuếch đại công suất. Chế độ A, B, AB, C là các chế độ hoạt động “thông thƣờng”. Hình 1.3 chỉ ra một mô hình phân loại các chế độ dựa trên điểm phân cực của transistor. Điểm chung của các chế độ hoạt động này là điện áp đầu ra có dạng hình sin và có sự xuất hiện của các tín hiệu phổ hài. Chế độ E, F đƣợc biết là các chế độ chuyển mạch. Lúc này transistor hoạt động giống nhƣ một khóa chuyển mạch. Mạch khuếch đại chế độ chuyển mạch yêu cầu mạch phối hợp trở kháng đầu ra cần một bộ cộng hƣởng do vậy không phù hợp cho mạch khuếch đại dải rộng. Chế độ F và F-1( đảo chế độ F) là chế độ sử dụng các tín hiệu hài. Chế độ khuếch đại này có hiệu suất cao hơn so với các chế độ khác. Chế độ này yêu cầu một mạch phối hợp trở kháng ra phức tạp và có băng thông hoạt động nhỏ nhất trong tất cả các chế độ. 19 Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF băng rộng Hình 1.3: Phân loại transistor dựa trên điện áp phân cực. Chế độ J, chế độ JB hiện đang đƣợc phát triển trong thời gian gần đây. Không giống các chế độ khác, bản thân các transistor có các tụ điện đầu ra lớn để đạt đƣợc băng thông hoạt động lớn hơn. 1.3.1. Khuếch đại chế độ A Một mạch khuếch đại chế độ A có góc mở transistor là 3600, vì vậy transistor luôn mở. Do năng lƣợng một chiều luôn khác 0 nên hiệu suất rất thấp khi so với các chế độ hoạt động khác. Hình 1.4 chỉ ra mạch khuếch đại chế độ A đƣợc định thiên tại điểm giữa điểm dòng điện đầu ra lớn nhất và điểm không có dòng điện ra. 20