Báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

69 trang yendo 6750

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_tong_ket_chuyen_de_nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_cac_b.pdf

Nội dung text: Báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

Bộ KH & CN Bộ quốc phòng Trung tâm KhKt - CnQs Viện Rađa Đề tài độc lập cấp Nhà n−ớc: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công ngh ệ gia công mạch dải. báo cáo tổng kết chuyên đề Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO M∙ số: ĐTĐL- 2005/28G Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh 6715-5 11/01/2007 NTTULIB Hà Nội - 2007 Bản quyền 2007 thuộc Viện Rađa Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện tr−ởng Viện Rađa trừ tr−ờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Mục lục Bảng các từ viết tắt 3 Ch−ơng I: Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và các giải pháp thiết kế chế tạo 4 1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm) 5 1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 8 1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm 9 1.4. Các bộ dao dộng transistor 18 1.5. Các bộ dao động có thể điều h−ởng 23 1.6. Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải 28 1.7. Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục 29 1.8. Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật 31 1.9. Bộ dao động dùng nhiều điốt 32 Ch−ơng II: Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) 33 2.1.Ph−ơng pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ S 33 2.1.1. Lý thuyết chung 33 2.1.2. Các b−ớc thiết kế 36 2.2. Ph−ơng pháp thiết kếNTTULIB chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt Gunn và điốt Varactor 46 2.3. Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn và điốt varactor 51 1
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Ch−ơng 3: Phân tích Các yếu tố gây ảnh h−ởng đến độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải pháp nâng cao tính ổn định 54 3.1. ổn định tần số có mấy ph−ơng pháp chính sau 54 3.2. Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 56 3.3. Ph−ơng pháp ổn định sử dụng hốc cộng h−ởng có hệ số phẩm chất cao 58 3.4. Ph−ơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 59 3.5. ảnh h−ởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 60 3.6. ảnh h−ởng thay đổi nhiệt độ và các ph−ơng pháp ổn định 61 3.7. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật và giải pháp công nghệ để thực hiện bộ VCO dải sóng cm 65 Kết luận 66 Tài liệu tham khảo 67 NTTULIB 2
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Bảng các từ viết tắt: • SCT: Siêu cao tần. • cw: Continous Wave: Sóng liên tục. • DUT: Device Under Test: Đối t−ợng kiểm tra. • IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode. • TRAPATT: Trapped-Plasma Avalanche Transit Time. • BARITT: Barrier Injection Transit Time). • MIC: Micro IC. • PCB: Printed Circuit Board: Bo mạch in. • RF: Radio Frequency: Tần số vô tuyến. • SMD: Surface Mount Divice: Dụng cụ lắp ráp bề mặt. • SPDT: Single Pole - Double Throw: Một cực hai đầu ra. • SMO: solid-state microwave oscillator. • VCO: Voltage Control Oscillator. NTTULIB 3
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Ch−ơng 1 Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và các giải pháp thiết kế chế tạo Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ nh− trong các đài ra đa, trong thông tin viễn thông, trong điện thoại, trong các hệ thống điều khiển, trong điều trị chữa bệnh, trong điều khiển giao thông vv Mạch dao động siêu cao tần (SCT) đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh− trong truyền tin, truyền hình, điều khiển tính toán, điều hành giao thông, hàng hải, nông nghiệp, y học hiện đại.v.v. Trong quân sự đ−ợc ứng dung trong thông tin liên lạc, phòng không, không quân, hải quân. Tuỳ theo yêu cầu và chức năng của từng thiết bị mà bộ dao động siêu cao tần có thể đ−ợc thiết kế với đèn điện tử nh− klistron, magnetron, có thể dùng bán dẫn nh− transsitor l−ỡng cực (bipolar), transistor tr−ờng (FET), hoặc các loại điốt có trở kháng âm nh− điốt TUNNEL, điốt IMPATT (Impact Avalanche and Transit Time), điốt TRAPATT (Trapped-Plasma Avalanche Transit Time), điốt BARITT (Barrier Injection Transit Time), điốt GUNN. Ngày nay các bộ dao động bán dẫn SCT (viết tắt là SMO: solid-state microwave oscillator) với −u điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế độ làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ví dụ trong các mạch định thời gian, trong kỹ thuật số và trong các mạch trộn tín hiệu Nó còn đ−NTTULIBợc dùng trong chức năng quan trọng khác đó là các bộ dao động tại chỗ trong các máy thu phát thay thế cho các bộ dao động dùng đèn điện tử cồng kềnh, tuổi thọ và chất l−ợng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều nguồn, khó điều chỉnh. Các bộ SMO tạp thấp đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống rađa và thông tin[1]. Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã đ−ợc các n−ớc trên thế giới phát triển từ những năm 1970. Có thể chia các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần làm hai loại chính: 4
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO - Các bộ dao động điốt trở kháng âm (nh− GUNN và IMPATT) thực hiện trong hốc cộng h−ởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO. - Bộ dao động VCO đ−ợc thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn tr−ờng hoặc bán dẫn Bipolar và điốt Varactor. Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có −u điểm là kích th−ớc bé, có độ ổn định cao, tạp nhỏ và cấp nguồn rất đơn giản, các bộ dao động này có thể sử dụng làm máy phát (có sử dụng kỹ thuật cộng công suất). Tuy nhiên, công suất ra cực đại có thể đạt đ−ợc với mỗi bộ dao động là giới hạn (khoảng 500- 750mW liên tục đối với điốt Gunn băng tần X). Mặc dù với điốt IMPATT có thể đạt đ−ợc mức công suất ra lớn hơn nh−ng điốt GUNN vẫn th−ờng đ−ợc sử dụng hơn vì có −u điểm là tạp nhỏ hơn. Vì những −u điểm nêu trên các bộ dao động điốt GUNN th−ờng đ−ợc sử dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa và trong các máy thu, vì đòi hỏi mức công suất ra rất thấp chỉ ≥ 10 mW (ví dụ:ở đài rađa K8-60 công suất đi đến 4 điốt trộn tần chỉ cần >2mW). Trong tr−ờng hợp muốn có nguồn phát chất rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn ng−ời ta phải sử dụng các kỹ thuật cộng công suất khác nhau (cộng trong hốc cộng h−ởng hoặc trên mạch dải) để cộng các đầu ra của vài bộ dao động. Trên thế giới đã chế tạo đ−ợc rađa dải sóng mm (dải tần phủ từ 30GHz- 300GHz) có máy phát bán dẫn công suất lớn . Các bộ dao động bán dẫn SCT ở dải centimet và milimét th−ờng đ−ợc làm trên hốc cộng h−ởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì th−ờng làm trên mạch dải Các bộNTTULIB dao động bán dẫn siêu cao tần đ−ợc sử dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa th−ờng đ−ợc thực hiện d−ới dạng VCO (Voltage Controlled Oscillator: bộ dao động điều chỉnh điện áp), các bộ VCO này có thể điều chỉnh tần số dao động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi điện áp cấp cho Varactor. 1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm) Điốt bán dẫn siêu cao tần đ−ợc phân thành: - Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi 5
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO - Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi - Điốt có trở kháng có thể điều khiển đ−ợc (điốt Pin). - Điốt có trở kháng âm: điốt TUNNEL, IMPATT, TRAPATT BARITT và GUNN Điốt Varisto (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số điốt có hàng rào schottky) đ−ợc dùng để: tách sóng, biến đổi d−ới, giải điều chế, bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh l−u. Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi đ−ợc khá nhanh, tổn hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto viên đ−ợc dùng làm: bộ dao động sóng hài, bộ điều chế hoặc biến đổi trên, các bộ khuếch đại có tạp âm bé, tạo dao động và tạo xung. Điốt có trở kháng có thể điều chỉnh đ−ợc: Độ dẫn điện của các điốt này hoàn toàn tỷ lệ thuận với số l−ợng các hạt mang điện không cơ bản đ−ợc tích luỹ. Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của nó thể điều khiển đ−ợc bằng thiên áp một chiều hoặc thiên áp âm tần ngoài Chúng đ−ợc dùng ở đảo mạch siêu cao tần; Bộ quay pha, bộ hạn chế công xuất, bộ điều chế siêu cao tần công suất, các bộ suy giảm biến đổi để điều khiển biên độ tín hiệu. Điốt siêu cao tần có trở kháng âm. Hiện nay chủ yếu dùng để khuếch đại và tạo dao động siêu cao tần. Có ít nhất 3 loại tuỳ thuộc vào hiệu ứng đ−ờng hầm (điốt Tunnel) hiệu ứng tạo thành thác lũ khi ion hoá do va trạm và thời gian bay (điốt Impatt, điốt Barrit) và hiệu ứng Gunn (điốt Gunn). Điốt Tunnel do cóNTTULIB tạp âm bé nh−ng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc không cao nên đ−ợc dùng chủ yếu làm ngoại sai tại chỗ trong các máy thu ngoại sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ đảo mạch công suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên. Điốt gunn và điốt thác lũ do c−ờng độ điện tr−ờng cao, năng l−ợng động học của điện tử lớn hơn nhiều năng l−ợng nhiệt của chúng. Lúc đó các điện tử này gọi là điện tử "nóng", còn các bộ dao động và bộ khuếch đại bằng điốt thác lũ và điốt Gunn đ−ợc gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng". Cả hai loại điốt siêu 6
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO cao tần này so với dụng cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích th−ớc, trọng l−ợng nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên ngày càng đ−ợc áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật siêu cao tần để làm các bộ dao động. Điốt siêu cao tần ở sơ đồ tạo dao động là mạng hai cực phi tuyến có trở kháng tích cực âm biến đổi nguồn năng l−ợng nguồn một chiều thành năng l−ợng dao động siêu cao tần. Việc biến đổi năng l−ợng đ−ợc thực hiện do t−ơng tác của dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) với điện tr−ờng xoay chiều. Về mặt vật lý điốt tạo dao động là lớp phẳng chất bán dẫn tạo thành khoảng giữa điốt, giữa hai đầu cực là các đầu đ−a ra (Anốt, Katốt) giới hạn không gian t−ơng tác (hình 1.1). Hai đầu cực Khoảng giữa điốt E(x,t) V Hình 1.1 Các hạt mang điện tích đ−ợc tạo ra bên trong khoảng giữa hoặc đ−ợc bắn ra từ các đầu cực và chuyển động d−ới các điện tr−ờng đ−ợc tạo ra bởi điện áp ngoài đặt vào các đầu cựcNTTULIB cũng nh− các điện tích bên trong khoảng giữa điốt. Quá trình biến đổi năng l−ợng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với dụng cụ chân không là nó có hàng loạt đặc điểm đ−ợc quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng nh− c−ờng độ điện tr−ờng có thể thay đổi theo không gian và thời gian do thay đổi điều kiện bên trong và bên ngoài (vật liệu và cấu trúc bán dẫn, điện áp hoặc dòng điện đặt vào các đầu cực). ở các điều kiện xác định, có thể xuất hiện quá trình điện tử khác nhau ở khoảng 7
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO giữa điốt làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa điốt tạo dao động siêu cao tần. 1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có thể chia ra làm hai nhóm: bộ dao động điốt điện trở âm và bộ dao động tranzistor. Ngày nay hai nhóm này vẫn luôn luôn cạnh tranh với nhau trong các lĩnh vực ứng dụng. Các yêu cầu Các mạch có một cửa, tạo ra các tín hiệu hình sin đều đ−ợc gọi là các bộ dao động. Các bộ dao động này là các nguồn tín hiệu không thể thiếu trong các hệ thống đo và truyền thông tin siêu cao tần. Các bộ dao động này có thể có tần số cố định hoặc điều tần. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài chúng tôi chỉ đi sâu nghiên cứu các bộ dao động có tần số cố định. Các đặc tr−ng chính của các bộ dao động này là: a) Tần số làm việc b) Công suất ra c) Hệ số phản xạ riêng Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng còn có thể liệt kê thêm nhiều yêu cầu khác vào phần trên. Nh−ng th−ờng thì độ ổn định tần số, tạp của bộ dao động, độ sạch của phổ tần dao động là quan trọng hơn cả. Trong một số ứng dụng đôi khi độ ổn định biên độ dao động cũng quan trọng. Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần (SCT) có −u điểm kích th−ớc bé và đòi hỏi cấp nguồn đơnNTTULIB giản có tạp bé. Có nhiều ph−ơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động bán dẫn SCT: trên ống sóng dùng điốt gunn, điốt varactor trên mạch dải sử dụng bán dẫn tr−ờng hoặc điốt Gunn và điốt varactor. Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm hai nhóm sau: a) Các bộ dao động điốt điện trở âm. b) Các bộ dao động transitor. 8
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm Trong rất nhiều dụng cụ bán dẫn 2 cực có điốt điện trở âm trong dải siêu cao tần (ví dụ nh− điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv ). Để tạo đ−ợc mạch dao động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng h−ởng và nối tải với nó [1]. Các điốt điện trở âm th−ờng có thể đặc tr−ng bằng một điện trở âm phụ thuộc vào mức đ−ợc mắc song song hoặc nối tiếp với một phần tử điện kháng có giá trị cố định (hoặc trong các khảo sát chính xác hơn: cũng phụ thuộc vào mức) (hình 1.2). ’ C d Gd Cd Rd Hình 1.2: Sơ đồ t−ơng đ−ơng mạch một cửa điện trở âm Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Yd của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu thức sau: 2 2 Yd = Gd + jωCd = −G0 (1−αU )+ jωC0 (1+ βU ) (1.1) Trong đó G0 là hỗ dẫn tín hiệu bé, C0 là dung kháng tín hiệu bé, U là giá trị hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt. Nhiều tr−ờng hợp ta mô tả bằng mạch tuơng đ−ơng mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ nh− sau: 1 ' 2 1 ' 2 Zd = Rd + ' = −R0 (1−α I )+ ' (1+ β I ) (1.2) jωCd jωC0 trong đó R0 là điệnNTTULIB trở âm tín hiệu bé, C’0 là giá trị tín hiệu bé của tụ mắc t−ơng đ−ơng mắc nối tiếp và I là giá trị hiệu dụng dòng sin chảy qua điốt. Gd Cd CP LP G Hình 1.3: Sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điện trở âm đã đ−ợc đơn giản hoá 9
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Trong bộ dao động ở hình 1.3 gắn với 1 điốt là một mạch cộng h−ởng và một tải Nếu ta mắc với mạch cộng h−ởng song song khi đó ta phải sử dụng mạch t−ơng đ−ơng mắc song song. Trong tr−ờng hợp mạch cộng h−ởng song song ph−ơng trình cân bằng sẽ là: Yd (U ) + Y = 0 (1.3) Từ ph−ơng trình trên về lý thuyết có thể xác định đ−ợc tần số và biên độ. Khai triển ph−ơng trình (1.3) ta có thể tiến hành phân tích nghiệm của mạch cộng h−ởng song song. 2 G0 (1−αU ) = G (1. 4) 2 1 − ωCd 0 (1+ βU ) = ωC p − (1.5) ωLP Bằng ph−ơng pháp t−ơng tự có thể phân tích với mạch mắc nối tiếp, ta không đi chi tiết ở đây. Công suất do điốt sản sinh ra sẽ là: 2 2 2 P = GU = G0 (1−αU )U (1. 6) Giá trị cực đại của nó sẽ là: G P = 0 (1.7) max 4α Giá trị cực đại của G phẳng do vậy việc điều chỉnh để đạt giá trị công suất cực đại đơn giản -Gd NTTULIB G0 U Hình 1.4: Sự phụ thuộc vào điện áp của dẫn nạp âm 10
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Cần l−u ý rằng chúng ta có thể tính cả tổn hao của các điốt bằng cách cộng chúng vào tải G. Bằng ph−ơng pháp phân tích này và có sửa đổi chút ít ta có thể khẳng định rằng trong tr−ờng hợp có tổn hao vị trí công suất cực đại sẽ bị lệch một chút về phía có ghép lỏng hơn và công suất sẽ bị giảm. Đối với tín hiệu nhỏ có tần số dao động ω0 : 1 ω0 = (1.8) LP ()CP + Cd 0 Nếu β ≠ 0 khi điện áp tăng tần số sẽ giảm. Sau khi cấp nguồn cho bộ dao động và trong mạch có điện trở âm thì dao động luôn luôn xuất phát từ tạp và có biên độ tăng theo hàm mũ. Hàm dẫn t−ơng ứng với ph−ơng trình (1.1) đ−ợc vẽ ở hình 1.4. Điều kiện dao động G0> G, và trong quá trình dao động biên độ luôn luôn tăng cho tới khi giá trị –Gd > G. Bằng ph−ơng pháp này ta có thể đ−a vào điểm làm việc ở mạch t−ơng đ−ơng nối tiếp điều kiện dao động sẽ là: R0 > R. Theo hình 1.4 trong tr−ờng hợp phụ thuộc vào mức thì điểm làm việc sẽ ổn định, đó là sau khi bị thay đổi nó sẽ quay trở lại vị trí cũ. ở các bộ dao động đôi khi nếu sự phụ thuộc vào mức không có dạng đơn điệu nh− ở hình 1.4 điểm làm việc liên quan đến tải sẽ không ổn định, đó là sẽ xuất hiện hiện t−ợng từ trễ. Một trong các vấn đề quan trọng của bộ dao động siêu cao tần là giá trị cực đại của công suất đầu ra. Có ba yếu tố cơ bản hạn chế công suất ra của bộ dao động điốt siêu cao tần: + Vận tốc trôi lớn NTTULIBnhất của chuyển động các hạt mang điện tích trong vật thể rắn và tỉ số Vng/Vbh. + Giá trị c−ờng độ điện tr−ờng cho phép lớn nhất ở vận liệu bán dẫn, nó phải nhỏ hơn giá trị Eđt (c−ờng độ điện tr−ờng khi đánh thủng bán dẫn). + Nhiệt độ cho phép lớn nhất làm nóng cấu trúc dán dẫn và vấn đề tỏa nhiệt cho điốt liên quan tới tham số này. Đặc tính chung của điốt siêu cao tần (trở kháng âm) là chuyển động của những hạt mang điện tích qua không gian bay chiều dài L. Chính trong không gian bay, các hạt mang điện tích t−ơng tác với điện tr−ờng ngoài và trong các 11
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO điều kiện xác định dẫn tới tạo dao động hoặc khuếch đại dao động siêu cao tần. Đây là tính chất chung cho phép tìm thấy biểu thức xác định công suất cực đại của chúng. Ta có công suất dao động [1]. 2 2 2 2 2 U m ξ U 0 ξ cpU cp0 P1 = = = (1.9) 2R1e 2R1e 2R1e ở đây: R1e . Trở kháng t−ơng đ−ơng của tải bằng môđun trở kháng tích cực âm t−ơng đ−ơng của điốt ở hài bậc 1 của tín hiệu. Um - Biên độ điện áp siêu cao tầnở các đầu cực của điốt. U0 - Điện áp một chiều đặt vào điốt. Ucp0 - Giá trị điện áp một chiều cho phép lớn nhất đối với loại điốt đã cho. ξ = Um/U0; ξcp = Um/Ucp0 Điện áp một chiều: Ucp0 = Ecp0 . L = Kđt . Eđt . L (1.10) ở đây: Ecp0 - Giá trị cho phép lớn nhất của c−ờng độ điện tr−ờng một chiều. Eđt - C−ờng độ điện tr−ờng đánh thủng loại vật liệu điốt bán dẫn đã cho. Kđt - Ecp0/Eđt < 1 Hệ số dự phòng. L - Độ dài không gian bay của điốt. 2 Thế (1-2) vào (1-1) ta có P1 = (ξKđt . EđtL) /2R1e (1.11) ϑ V ϑ ∂V L = τ V = b tr = b bh (1.12) b tr NTTULIB2πf 2πf ở đây: τb = L/Vtr là thời gian chuyển động của các hạt mang điện qua không gian bay. Vtr: Vận tốc trôi trung bình của các hạt mang điện. θb = ωτb goc bay; ω là vận tốc tín hiệu. ∂ = Vtr/Vbh hệ số của vận tốc trôi Vbh: là vận tốc của những hạt mang điện tích khi bão hoà. 12
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Thay (1.12) vào (1.11) ta có: 2 2 2 P,R1ef = (ξcpKđt . ∂θbEđtVbh) /8π (1.13) Th−ờng vật liệu của điốt (trở kháng âm) là Si và GaAs có các giá trị Eđt = 7 300KV/cm và Vbh = 10 cm/s nên. 2 5 2 P1R1ef ≈ 10 (ξcpKđt∂θb) (1.14) ở đây: f là tần số có thứ nguyên là GHz. Để phần lớn công suất P1 đ−ợc truyền ra tới tải cần phải bảo đảm R1e>>Rth. ở đây Rth là điện trở tổn hao tích cực của điốt và mạch điện. Th−ờng R1e = 5 2 4 2 ta có: P1f ≈ 2.10 (ξcpKđt.∂θb) (1.15) Do vế trái của biểu thức (1.13) và (1.15) không đổi nên nếu tăng tần số, công suất cực đại của điốt sẽ giảm theo bình ph−ơng của tần số. Điều này liên quan đến giảm chiều dài của không gian bay do thực hiện yêu cầu sau: C−ờng độ điện tr−ờng cần phải nhỏ hơn giá trị đánh thủng Eđt. Mặt khác theo (1.13) và (1.15) công suất của điốt tỷ lệ với bình ph−ơng góc bay θb. Tất cả các biểu thức có tính chất định tính và đúng trong dải tần xác định. Từ các biểu thức (1.14), (1.15) công suất của điốt có thể tăng do tăng góc bay θb với điều kiện không dẫn tới giảm tần số dao động. Tăng θb kéo theo tăng tỷ lệ thuận độ dài không gian bay L (1.12) và cho phép tăng công suất ra của điốt (1.11). Yếu tố thứ 3 hạn chế công suất ra là nhiệt độ cho phép lớn nhất của vật liệu bán dẫn. Cộng với điện trở nhiệt của điốt nó xác định công suất PT = ∆T/RT có thể đ−a ra qua bộ toả NTTULIBnhiệt. Đối với Si và GaAs có thể lấy hiệu nhiệt độ của bán dẫn và bộ toả nhiệt ∆T = 300oC. Công suất bán dẫn: Ptt = P0 - P1 (1.16). ở đây: P0 và P1 là công suất tiêu thụ và công suất đ−a ra. Ptt cần không lớn hơn PT. Do vậy ở chế độ làm việc liên tục ta có: η ∆T P1 ≤ (1.17) 1−η RT ở đây: η = P1/P0 là hiệu suất. 13
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Điện trở nhiệt là tổng điện trở nhiệt của bán dẫn, của phần tiếp xúc và của bộ toả nhiệt. Do điện trở nhiệt của bản dẫn là lớn nhất nên ta có: RT ≈ L/2SKT (1.18) ở đây: S là diện tích của bán dẫn; KT là hệ số dẫn nhiệt. Điện dung của lớp tiếp giáp: C= Sε/L (1.19) ở đây: ε là độ thẩm điện môi còn gọi là hằng số điện môi của bán dẫn. Thay (1.19) vào (1.18) ta có: RT = ε/2KTC = επXcf/KT (1.20) ở đây: Xc = 1/2πfc là dung kháng. Để đảm bảo điều kiện tạo dao động giống nhau trong toàn dải tần làm việc của bộ dao động điốt, Xc cần phải không thay đổi. Thay (1.20) vào (1.17), tìm công thức tính lớn nhất với tần số dao động ở chế độ làm việc liên tục: η∆TKT P1 f = (1.21) (1−η)πεX c Hiển nhiên rằng ở chế độ làm việc xung P1 sẽ lớn hơn. Khi xung có độ trống lớn độ rộng xung bé (ở giới hạn vài às) biểu thức (1.21) có thể coi là công suất trung bình của bộ dao động ở chế độ làm việc xung. Từ phân tích trên ta nhận đ−ợc hai biểu thức khác nhau cho giá trị công suất cực đại của bộ dao động điốt. Trong tr−ờng hợp 1, xuất phát từ giá trị cho phép của c−ờng độ điện tr−ờng và vận tốc trôi lớn nhất của hạt mang điện tích, theo (1.13) - (1.15) công NTTULIBsuất dao động lớn nhất sẽ là. 2 P1 = K1/f , ở đây K1 = const. ở tr−ờng hợp thứ hai mối quan hệ này trên mặt phẳng toạ độ, có tung độ là P1, hoành độ là f theo tỷ lệ lôgarit (hình 1.5). 14
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO P1[W] 102 A' B' 10 2 1 B 10-1 1 10-2 C 1 10 100 f[GHz] Hình1.5 Chúng cắt nhau ở điểm B nào đó. Do phải thực hiện cả hai yêu cầu về hạn chế công suất, công suất cực đại của bộ dao động điốt ở chế độ làm việc liên tục cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng đi qua các điểm A-B-C. Nh− vậy khi f > fB (hình 1.5) công suất dao động đ−ợc xác định bằng điện áp đánh thủng và vận tốc trôi của hạt mang điện. Khi f < fB đ−ợc xác định bởi khả năng toả nhiệt cho bộ dao động. Khi chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ xung, sự dịch chuyển này đ−ợc xác định bằng giá trị độ trống và độ rộng xung đ−ợc bức xạ. Do vậy khi làm việc ở chế độ xung, công suất cực đại cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng đi qua các điểm A'-B'-C' ở (hình 1.5). Mạch và cấu tạo của các bộ dao động bằng điốt siêu cao tần. Các yêu cầu chung đối với mạch điện từ của mạch dao động điốt là đảm bảo tần số làm việc, chế độ làm việc, dải tần số, độ ổn định tần số, hiệu suất của mạch cộng h−ởng là lớn nhấNTTULIBt và toả nhiệt, Tần số công tác và chế độ làm việc đã cho d−ợc đảm bảo bằng trở kháng đầu vào tổng của mạch ngoài Z = R + jX cần thoả mãn các điều kiện sau đây: 1- Trở kháng của mạch cộng h−ởng nhìn từ hai đầu điốt phải đúng bằng trở kháng của điốt. 2. Điện trở tổn hao của mạch cộng h−ởng phải bằng điện trở âm của điốt ở tần số mong muốn R = − rd 15
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 3. Tại các tần số khác ngoài tần số mong muốn, điện trở tổn hao phải lớn hơn điện trở âm của điốt. Để thảo mãn các yêu cầu trên ng−ời ta sử dụng hộp cộng h−ởng đ−ợc tạo ra bằng đ−ờng truyền có độ dài xác định, ghép với điốt và tải bằng thiết bị phối ghép đặc biệt và biến áp trở kháng, nó có thể tạo ra bất đồng nhất nào đó (đột biến trở kháng sóng, que dò điện môi, cửa sổ điện cảm, cửa sổ điện dung) ở điện từ tr−ờng dầy. Để ngăn ngừa sun hoá mạch siêu cao tần bởi nguồn một chiều, bộ lọc thông thấp đ−ợc mắc vào giữa chúng. Nh− vậy sơ đồ khối chung của bộ dao động điốt có dạng nh− hình 1.6. Tới nguồn một chiều Bộ lọc tần thấp Thiết bị ghép Hộp cộng Biến áp Thiết bị ghép với điốt h−ởng trở kháng với đài Hình 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của bộ dao động điốt. Hoàn thành theo cấu tạo các phần tử của sơ đồ này phụ thuộc chủ yếu vào loại hộp cộng h−ởng, tuy nhiên trong mỗi tr−ờng hợp cần tuân theo một số nguyên tắc chung đ−ợc xác định bởi đặc tính riêng của điốt. Tổn hao ở mạng điện từ tăng lên mạnh do điện trở tổn hao của điốt Tth lớn hơn nhiều tổn hao riêng của mạch thụ độngNTTULIB và do điện trở âm của điốt là khá nhỏ (rđ ≤ 10Ω) nên giá trị thực của hiệu suất mạch cộng h−ởng th−ờng không cao ηK ≤ 0,5 - 0,6. ý nghĩa quan trọng đối với bộ dao động điốt bán dẫn siêu cao tần là ph−ơng pháp gá đặt điốt và hộp cộng h−ởng sao cho điện trở tiếp xác là nhỏ nhất và toả nhiệt lớn nhất. Thông th−ờng để gá đỡ điốt ng−ời ta dùng kẹp đàn hồi, nó đ−ợc kẹp chắt vào giá đỡ bằng êcu đ−ợc đặt ở thánh kiên cố nhất của hộp cộng h−ởng. Tiếp xúc của điốt với đầu kẹp đàn hồi đ−ợc thực hiện trên bề mặt s−ờn của vỏ điốt khi áp suất tiếp xúc không nhỏ hơn 107 Pa. Toả nhiệt tốt đ−ợc đảm 16
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO bảo bằng mối hàn của điốt với giá đỡ bằng đồng, cho phép giảm nhiệt độ làm việc của điốt tức là tăng giá trị cho phép của dòng cung cấp và công suất ra của bộ dao động hoặc là khi dòng I0 < I0cp làm tăng độ tin cậy của nó Độ ổn định chế độ làm việc của bộ dao động điốt là không có đột biến biên độ và tần số của dao động ở đầu ra mà chúng có thể xuất hiện do tự kích dao động ký sinh. Vấn đề là ở chỗ, ở các dải sóng cm và mm thực tế là không thể dùng mạch điện từ một mạch cộng h−ởng, nhiều mạch cộng h−ởng. Sự xuất hiện các cộng h−ởng phụ (ký sinh) ở các tần số khác với tần số công tác là do ảnh h−ởng của các tham số điện kháng của vỏ điốt, phối hợp không chính xác với tải, có cộng h−ởng không gian (mốt dao động) trong các hệ thống phân bố Do vậy, sơ đồ t−ơng đ−ơng đầy đủ của bộ dao động điốt luôn nhiều mạch cộng h−ởng và điện trở đầu vào của nó phụ thuộc vào tần số, ngoài ra các ph−ơng trình cân bằng pha đ−ợc thực hiện ở mỗi một tần số cộng h−ởng riêng của sơ đồ. Bởi vì điện trở âm của điốt ở dải khá rộng thì ở một số trong số các tần số này cóthể tự kích dao động ký sinh nến đầu vào trở kháng tích cực của sơ đồ ở tần số này thoả mãn ph−ơng trình cân băng biên độ. Tự dao động ký sinh xuất hiện đặc biệt rõ rệt ở bộ dao động nhiều điốt và các dao động ổn định. Ngoài ra do sự phân tán lớn của các tham số điốt, độ không ổn định nguồn một chiều, sự không phối hợp chính xác với tải vì sự thay đổi nhiệt độ. Vì vậy đối với bộ dao động điốt bán dẫn siêu cao tần cần phải điều chỉnh trở kháng vào tổng của mạch siêu cao tần ở giới hạn đủ lớn. Các phần tử điều chỉnh có thể thực hiện ở dạng vòng ngắn mạch hay vòng hở mạch, biến áp một phần tử b−ớc sóng (λ/4), cửa sổ điện cảm hoặc vít điện dung. Việc điều chỉnhNTTULIB sơ đồ là để tần số cộng h−ởng riêng đ−ợc xê dịch đến tần số mà ở đó trở kháng của điốt lớn hơn trở kháng đầu vào tích cực của nó. Khi điều chỉnh nh− vậy thực tế không đạt đ−ợc bằng một phần tử điều chỉnh mà nhiều khi phải dùng nhiều phần tử điều chỉnh. Một ph−ơng pháp đảm bảo độ ổn định của bộ dao động điốt siêu cao tần là áp dụng mạch ổn định, mạch ổn định đơn giản nhất gồm có mạch cộng h−ởng ổn định Lođ, Cođ đ−ợc điều h−ởng ở tần số làm việc và điện trở cân bằng Rcb (hình 1.7) 17
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Rcb L0đ C0đ D Zt Hình 1.7. Sơ đồ t−ơng đ−ơng bộ dao động điốt có mạch ổn định Nguyên lý hoạt động của mạch ổn định là ở chỗ tất cả các tần số trừ tần số làm việc, điện trở âm của điốt đ−ợc bù trừ bằng điện trở cân bằng d−ơng. ở tần số làm việc điện trở cân bằng bị sun hoá bởi mạch ổn định nên nó không ảnh h−ởng đến các tham số của sơ đồ. Điện áp Điốt điện trở nguồn âm Dây dẫn kim loại Đầu ra λ/2 Nền điện môi Bề mặt toả nhiệt Hình 1.8. Phác hoạ bộ dao động ở tần số cố định làm trên mạch dải 1.4. Các bộ dao dộng transistor.NTTULIB Các mạch dao động transistor về cơ bản là mạch khuếch đại có hồi tiếp mà trong mạch với hồi tiếp d−ơng phù hợp sẽ tạo dao động và do đó sẽ tạo dao động hình sin. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại có hồi tiếp đ−ợc thấy ở hình 9.5, ở đây A0 ký hiệu hệ số khuếch đại phức khi không có hồi tiếp và Av là hệ số truyền phức hai cửa hồi tiếp. Hệ số khuếch đại có hồi tiếp A sẽ là: A A = 0 (1.22) 1`−AV A0 18
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Mà ở điểm Av.A0 =1 (1.23) có điểm cực, và mạch này sẽ tạo dao động. Ph−ơng trình (9.10) là điều kiện dao động tổng quất của các mạch khuếch đại kiểu này. Mô hình tuyến tính không cho biết về biên độ dao động. Các mạch dao động trong thực tế luôn luôn chứa tính phi tuyến. Th−ờng các transistor sử dụng làm phần tử khuếch đại có tính phi tuyến và tính phi tuyến của điốt bazơ-emitter hạn chế biên độ. Trong tr−ờng hợp tổng quát A0 và đôi khi Av trong ph−ơng trình (1.9) và (1.10) đều phụ thuộc vào mức và trong điều kiện dao động cần l−u ý đến điều này. Đa số ng−ời ta không tiến hành các phân tích phức tạp nh− vậy mà chỉ xác định tần số dao động từ mô hình tuyến tính. Trên thực tế ng−ời ta th−ờng không thực hiện tính toán một cách đơn giản các bộ dao động theo ph−ơng trình (1.10) mà xuất phát từ phân tích mạch tuyến tính tổng thể. Ng−ời ta đã tiến hành các thí nghiệm tính các bộ dao động trực tiếp từ các tham số tán xạ S, nh−ng cuối cùng rút ra kết luận là các phân tích tính từ các tham số ma trận dẫn nap Y áp dụng tốt hơn. Trong các mạch dao động transistor siêu cao tần bản thân transistor thực hiện giới hạn điện áp hoặc dòng, do vậy để thực hiện phân tích chính xác cần phải sử dụng mô hình tín hiệu lớn. Các mạch cơ bản của dao động tham số tập trung là các mạch dao động Colpitts, Hartley và Clapp. NTTULIBA0 AV Hình 1.9 Mạch khuếch đại có hồi tiếp Trong các mạch dao động Colpit (hoặc trong các mạch dao động ba điểm ghép dung kháng) hồi tiếp diễn ra trên đ−ờng dung kháng. Bởi vì ở dải tần số 19
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO UHF và tần số siêu cao, điện dung khuếch tán của transistor có ảnh h−ởng lớn đến hoạt động của mạch nên tr−ớc tiên các mạch dao động Colpit và Clap là các mạch có thể đ−ợc áp dụng. Rất nhiều khi mạch dao động Colpit đ−ợc thiết kế không cần sử dụng phần tử hồi tiếp ngoài mà chính các điện dung khuếch tán của transistor đảm nhận chức năng này. Tất nhiên ph−ơng pháp này cũng có nh−ợc điểm là các đặc tr−ng khuếch tán của transistor phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào nguồn một chiều, do tính chất này nên bản thân mạch dao động sẽ không ổn định tốt. Mạch dao động Clapp có −u điểm là có độ ổn định tần số lớn hơn nhiều so với mạch dao động Colpit nếu ta chọn mạch cộng h−ởng phù hợp, vì mạch cộng h−ởng quyết định tần số dao động của mạch dao động, do đó điện dung khuếch tán của transistor có ảnh h−ởng rất ít. Các mạch cộng h−ởng đ−ợc tìm ra cho đến nay th−ờng đ−ợc ứng dụng ở d−ới tần số fβ. ở các tần số lớn hơn fβ quay pha hệ số khuếch đại dòng càng lớn hơn và ng−ời ta càng ít sử dụng kết cấu mạch đơn giản kiểu này. ở các tần lớn hơn fβ có thể áp dụng các bộ dao động trasistor điện trở âm. Trong một dạng đặc biệt của các mạch emitter lặp lại, ở đầu emitter ta nối một tụ điện Ce. Trong tr−ờng hợp này do sự di pha của hệ số khuếch đại dòng phần thực trở kháng đầu vào của transistor sẽ có giá trị âm, bằng ph−ơng pháp này có thể tạo ra bộ dao động transistor điện trở âm. Các bộ dao động kiểu này có thể áp dụng ở tần số trên tần số cắt (ở đây độ di pha hfe sẽ đảm bảo tạo ra điện trở âm). NTTULIB Giả thiết rằng f> fβ. Khi đó trở kháng vào sẽ là: AVA0 = 1 (1.24) nh− vậy ta đã thực hiện thành công điện trở âm. Tất cả các lập luận ở trên chỉ liên quan đến mạch có tham số tập trung. Các phần tử mạch phân bố có thể sử dụng nh− một phần của mạch cộng h−ởng hoặc nh− toàn bộ mạch cộng h−ởng. Ngoài ra các phần tử phân bố còn có thể sử dụng nh− mạch biến đổi trở kháng hoặc nh− phần tử ghép ra. 20
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Các ph−ơng pháp chính để thiết kế và chế tạo các bộ dao động transistor siêu cao tần có thể hệ thống lại nh− sau: • Bằng cách giảm kích th−ớc và sử dụng các phần tử mạch tập trung có thể chế tạo đ−ợc các bộ dao động phần tử tập trung. Trong tr−ờng hợp này thiết kế chủ yếu dựa trên các tham số dẫn nạp Y. • Thiết kế các bộ dao động transistor siêu cao tần điện trở âm. Ph−ơng pháp này có thể sử dụng các tham số Y, nh−ng có thể liên hệ tốt với các tham số tán xạ S, và đ−a ra khả năng thiết kế chế tạo các bộ dao động transistor siêu cao tần cả về mặt lý thuyết cũng nh− thực tiễn. ví dụ theo mạch ở hình 1.10 do có hồi tiếp cảm kháng trong tr−ờng hợp nối tải ở emitter ở ghép kollektor có điện trở âm trong dải tần rộng. • Có thể sử dụng cách thiết kế gần đúng đặc biệt tốt ở các bộ dao động tín hiệu lớn (chế độ C), ở đây bộ ghép định h−ớng sẽ thực hiện hồi tiếp, dựa theo sơ đồ ở hình 1.11- Mạch cộng h−ởng đặt trên nhánh hồi tiếp sẽ xác định tần số dao động. Phải chọn hệ số ghép ở bộ ghép định h−ớng sao cho phù hợp với điều kiện dao động có tính đến suy giảm chèn của mạch dao động cũng nh− hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại −u điểm của giải pháp này là: có thể sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu lớn th−ờng hay gặp. Mạch cộng Mạch một cửa điện trở âm h−ởng NTTULIB Mạch hai cửa phối hợp C Z0 RL L trở kháng Hình 1.10 Bộ dao động transistor điện trở âm siêu cao tần 21
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Đầu ra Bộ khuếch đại Bộ phân transistor đ−ờng định h−ớng R 0 Mạch cộng h−ởng Hình 1.11: Bộ dao động transistor siêu cao tần hồi tiếp bằng bộ ghép định h−ớng +UT L RT R 1 -U E C R 2 C R 2 L NTTULIB Hình 1.12: Bộ dao động siêu cao tần 2 Transitor làm việc ở chế độ ng−ợc nhau. Trong thực tế ng−ời ta th−ờng hay sử dụng ph−ơng pháp suy luận và phán đoán bằng trực giác để thiết kế các mạch dao động tích hợp siêu cao tần. Từ đó đã xuất hiện rất nhiều dạng mạch dao động khác nhau chút ít. Hình 1.12 cho ta 22
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO thấy một sơ đồ mạch dao động hai transistor. Mạch gồm hai transistor bazơ chung đ−ợc nối đất, mạch cho ta công suất dao động lớn hơn. ở các bộ dao động transistor mức công suất ra và vấn đề ổn định tần số rất quan trọng cũng nh− ở các bộ khuếch đại điện trở âm. Đứng trên quan điểm nào đó tình thế ở đây còn quan trọng hơn bởi vì các tham số của các transistor trong nhiều mạch còn ảnh h−ởng mạnh hơn đến tần số dao động. Có thể sử dụng các ph−ơng pháp ổn định tần số giống nh− ở các bộ dao động điện trở âm nh− đã viết ở phần trên. 1.5. Các bộ dao động có thể điều h−ởng Trong rất nhiều nhiệm vụ trên thực tế cần thay đổi tần số dao động của các bộ dao động mạch tích hợp SCT và cần điều h−ởng đ−ợc chúng.Tuỳ thuộc vào ứng dụng và tốc độ thay đổi tần số ta có thể gọi nó là điều tần ngoài điều h−ởng hoặc vobbulacio. Điều h−ởng tần số của bộ dao động điốt thực hiện do thay đổi điện kháng mạch cộng h−ởng của điốt bằng ph−ơng pháp điện và cơ khí. Để điều chỉnh bằng điện áp dụng các ph−ơng pháp giống nh− điều tần. Điều h−ởng tần số bằng điện thực hiện bằng cách đ−a vào mạch cộng h−ởng của bộ dao động một phần tử kháng đ−ợc điều khiển C (Uđk), (Iđk), đó là varactỏ hoặc đơn tinh thể YIG có đ−ờng kính 1- 2mm. Sự thay đổi tần số trong tr−ờng hợp này xảy ra do sự thay đổi năng l−ợng tích trữ ở trong hệ ∆f/f0 = Iδεđk/2(δεđk+ε0), ở đây δεđk là năng l−ợng đ−ợc tích trữ trong phần tử điều khiển, (δεđk+ε0) là năng l−ợng tổng của điện tr−ờng hoặc từ tr−ờngNTTULIB đ−ợc tích trữ trong mạch cộng h−ởng của bộ dao động ở tần số f0, δ là hệ số trùm của điện kháng điều khiển (δ < 1). Bởi vì δεđkvà ε0 đ−ợc xác định bằng độ phẩm chất của phần tử điều khiểnvào mạch cộng h−ởng của bộ doa động, nên biểu thức trên có thể viết ở −1 ∆f δ ⎡ Pdiot Q0 ⎤ dạng tiện lợi hơn = I −1 = ⎢1+ ⎥ (1.25) f 0 2(K +1) ⎣ Pdk Qdk ⎦ ở đây: Pđk là công suất tổn hao ở phần tử điều khiển. 23
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Từ đó suy ra là dải điều h−ởng tần số lớn nhất đ−ợc đảm bảo khi độ phẩm chất của phầnt ử điều khiển là lớn nhất và nó đ−ợc nối trực tiếp vào mạch cộng h−ởng của bộ dao động (Kmax = 1). Lúc đó việc điều h−ởng tần số càng dễ dàng hơn khi công suất ra Pđiốt càng nhỏ và độ phẩm chất Q0 của bộ dao động càng nhỏ. Điều h−ởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn nhỏ (1 ữ 2)% đ−ợc thực hiện bằng cách đ−a vào mạch cộng h−ởng một điện kháng phụ đ−ợc tạo ra bằng vít (que dò) điện môi và que dò kim loại nằm ở mặt phẳng của hộp cộng h−ởng siêu cao tần. Để điều h−ởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn rộng hơn (vài chục %) ng−ời ta sử dụng đoạn đ−ờng truyền ngắn mạch và có độ dài đ−ợc điều chỉnh nhờ pít tông ngắn mạch di động. Trong tr−ờng hợp này, việc điều h−ởng tần số của bộ doa động cũng kéo theo sự thay đổi công suất ra của nó gây nên bởi mối quan hệ tần số - điện trở âm của điốt và bởi sự thay đổi điện trở tổn hao trong mạch cộng h−ởng của mạch dao động. Các bộ dao động điện trở âm nhìn qua có thể dễ dàng điều h−ởng bằng cách thay đổi các tham số của mạch cộng h−ỏng. Chúng ta cần l−u ý rằng trong các mạch thực tế các phần tử điện kháng quyết định tần số cộng h−ởng không nối đ−ợc trực tiếp với hai cực của điốt. ở các mạch dao động transistor lại càng phức tạp hơn, bởi vì th−ờng th−ờng ở đó có nhiều phần tử hơn góp phần vào việc xác định giá trị thực của tần số dao động. Nếu điều h−ởng bằng hốc cộng h−ởng thì cần đặc biệt thận trọng khi thiết kế. Khi này trong tr−ờng hợp chọn độ ghép không đúng, ghép quá chặt có thể xuất hiện hiện t−ợng trễ từ.NTTULIB Có nhiều cách điều h−ởng bộ dao động: a) Bằng cách thay đổi kích th−ớc cơ khí của các mạch công h−ởng (hoặc đôi khi các phần tử điều h−ởng). Ph−ơng pháp điều h−ỏng này với kỹ thuật mạch tích hợp siêu cao tần th−ờng không phức tạp, nh−ng với mạch cần điều h−ỏng nhanh thì ph−ơng pháp này không áp dụng. b) Điều h−ởng bằng điốt varactor (bằng cách thay đổi điện áp cấp cho điốt varactor). 24
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO c) Điều h−ởng bằng mạch cộng h−ởng YIG (bằng cách thay đổi dòng phân cực). Hai ph−ơng pháp điều h−ởng (b) và (c) cho khả năng điều h−ỏng điện các mạch dao động tích hợp siêu cao tần. Ph−ơng pháp điều h−ởng bằng điốt varactor chỉ có thể điều h−ởng trong dải tần hẹp (10-15%). −u điểm của điều h−ởng bằng điốt varactor là nhanh (có thể tạo tần số điều chế 100MHz), và thực tế điều chế không đòi hỏi công suất lớn. Nh−ợc điểm của nó la việc điều h−ởng đ−ợc tiến hành với phần tử phi tuyến nên dẫn đến mấy nh−ợc điểm sau: - Mối liên hệ giữa tần số và điện áp điều h−ỏng có tính phi tuyến. - Điốt điều h−ởng varactor có thể tạo ra các hài - Việc điều h−ởng phụ thuộc vào mức. Bằng các mạch điều khiển điốt phù hợp có thể hạn chế tính phi tuyến của việc điều h−ởng varactỏ xuống d−ới mức 1%, điều này đã đáp ứng tốt cho phần lớn các mục tiêu trong thực tế. Hình 1.13 vẽ sơ đồ mạch dao động Gunn điều h−ởng bằng điốt varactor dải rộng. Đầu ra Thiên áp cho varactor NTTULIB Thiên áp Điốt Điốt Gunn Varactor Hình 1.13: Sơ đồ mạch dao động Gunn điều h−ởng bằng điốt varactor dải rộng. 25
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Có thể giảm các vấn đề liên quan đến tính phi tuyến và phụ thuộc vào mức của varactor điều h−ởng bằng cách áp dụng 2 điốt varactor mắc đối nhau (nh− ở hình 1.9) ở dải cao tần. Các điốt nếu nhìn theo điện áp một chiều điều khiển đ−ợc mắc song song với nhau Các mạch cộng h−ởng YIG đ−ợc áp dụng cho điều h−ởng dải rộng, tần số cộng h−ởng của nó và dòng điều h−ỏng gần nh− tuyến tính . Hoạt động của mạch cộng h−ởng gino siêu cao tần dựa trên hiện t−ợng gino từ do tác động của điện tr−ờng bién môi tr−ờng trở thành không Izotrop. YIG (Yttrium Iron Garnet) tinh thể YIG khi đ−ợc đặt vào từ tr−ờng nó hoạt động nh− một mạch cộng h−ởng Nh− vậy bằng cách thay đổi từ tr−ờng có thể điều h−ởng một cách tuyến tính bộ dao động. Độ rộng dải điều h−ởng có thể dạt đ−ợc với ph−ơng pháp này là khoảng 30% tần số phách. Nh−ng cái này yêu cầu công suất, do cảm kháng của quận dây điện từ nên tốc độ điều h−ởng bị giới hạn. Do điều h−ởng vòng từ nên bộ dao động bị trễ - chế tạo mạch phức tạp và đắt tiền. Các mạch dao động kiểu này đ−ợc vẽ ở hình 1.14. Sau khi cuộn dây tạo ra từ tr−ờng điều h−ởng, trong mạch điều h−ởng có đáng kể cảm kháng, nó làm hạn chế tần số điều chế và tốc độ điều h−ởng có thể áp dụng. Viên YIG Vòng ghép Đầu ra NTTULIB L UE UT Hình 1.14 Mạch cộng h−ởng YIG 26
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Nh−ợc điểm của điều h−ởng YIG: một phần do các viên YIG rất đắt, mặt khác việc chế tạo mạch, cấu trúc ghép, việc điều chỉnh các vòng là rất phức tạp. Ngoài ra cần phải l−u ý rằng do việc điều h−ởng bằng mạch từ nên bộ dao động điều h−ởng YIG có trễ từ, có thể giảm đ−ợc nó bằng cách tr−ớc tiên là chọn vật liệu từ và sau đó là mạch từ một cách phù hợp. Một nh−ợc điểm nữa của điều h−ởng bằng YIG là điều chế tần số bị giới hạn (100KHz - 1MHz) và khi điều h−ởng nhanh có thể xuất hiện trễ đáng kể. So sánh chi phí cho điều h−ởng varactor và YIG ta thấy điều h−ởng YIG đắt hơn rất nhiều nên chỉ th−ởng áp dụng khi phải điều h−ởng dải rộng. Bộ lọc thông thấp Thiên áp Điôt Gunn điốt Gunn Điôt Thiên áp Varactor điốt varactor Hình 1.15: Sơ đồ bộ dao động điốt điều h−ởng varactor trên mạch dải, Các cực từ Giá đỡ Vòng ghép YIG NTTULIB Điôt Gunn Vòng ghép Viên YIG ra Hình 1.16: Sơ đồ bộ dao động điốt điều h−ởng YIG. 27
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 1.6. Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải Bộ dao động điốt siêu cao tần trên mạch dải ứng dụng để sản xuất hàng lọat các mạch tích hợp siêu cao tần. Chúng đ−ợc dùng phổ biến cho các thiết bị trên máy bay do chúng nhẹ hơn, nhỏ hơn và độ tin cậy hơn so với hộp cộng h−ởng khối (thể tích công suất và hiệu suất của bộ dao động điốt trên mạch dải nhỏ hơn các giá trị nhận đ−ợc của chính điốt ấy ở cấu tạo khối Mốt sóng truyền trên mạch dải là mốt gần TEM(kvazi- TEM). Khi thiết kế bộ dao động có thể sử dụng ph−ơng pháp ghép ra kiểu ghép dải dẫn (hình 1.17a) UV RF Hình 1.17.a: Ph−ơng pháp ghép ra kiểu ghép dải dẫn. UV RF Hình 1.17b: Ph−ơng pháp ghép ra kiểu ghép trực tiếp. Độ rộng của bán dẫnNTTULIB có thể xác định đ−ợc cả trong tr−ờng hợp đối xứng và không đối xứng - Bằng các đồ thị và công thức có thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo [2, 10'19'21]. Bộ dao động kiểu mạch dải t−ơng đối đơn giản và có kích th−ớc nhỏ nh−ng rất khó điều h−ởng bằng cơ khí, tổn hao t−ơng đối lớn và hệ số phẩm chất thấp. Để cải thiện hệ số phẩm chất ta có thể sử dụng mạch cộng h−ởng ổn định ngoài Mạch cộng h−ởng ngoài có thể là phản xạ hoặc loại truyền qua. Trên mạch dải ng−ời ta hay sử dụng mạch cộng h−ởng mạch cộng h−ởng điện môi làm mạch cộng h−ởng ngoài hoặc sử dụng tinh thể YIG. Loại sau hay 28
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO sử dụng để điều chế bộ dao động - Ví dụ trong máy phát sóng quét. Việc này nâng cao hệ số phẩm chất có ý nghĩa đặc biệt lớn trong việc ổn định bộ dao động và giảm tạp (ta xét kỹ ở phần II) Sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động có mạch cộng h−ởng ổn định ngoài đ−ợc vẽ ở hình 1.18. Th−ờng thì g/2 = l L C C L R R R HìnhCó 1-6. thể Sơ xác đồ định t−ơng tần đ −sơngố da coá cđộng bộ dao bằng động cách có viết mạch ph cộng−ơng htrình−ởng cơ ng oàibản của mạch tham chiếu T - T' và giả thiết tổng phần ảo của dẫn nạp bằng 0. ⎧ ⎡ ⎤⎫ ⎪ ⎢ ⎥⎪ f − f f − f ⎪ β Q ⎢ 1 ⎥⎪ 0 r = r 1+ r ⎨ 2 ⎢ 2 ⎥⎬ (1.26) f r f r ⎪ ()1+ β Q0 ⎛ 2Q f − f ⎞ ⎪ ⎢1+ ⎜ r r ⎟ ⎥ ⎪ ⎢ ⎜1 f ⎟ ⎥⎪ ⎩ ⎣ ⎝ + β r ⎠ ⎦⎭ r Trong đó β = r r0 L0, C0, r0, f0, 0 là các tham số của bộ dao động ch−a đ−ợc ổn định. Lr, Cr, fr, Qr là các tham số của bộ dao động đ−ợc ổn định. NTTULIB 1.7. Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục. Cấu tạo đông trục có đặc điểm là dải điều h−ởng bằng cơ khí và bằng điện đơn giản và lớn nhất, đặc biệt tiện lợi khi sử dụng điều tần bằng Varactor. Việc giá đặt điốt vào hốc cộng h−ởng đ−ợc vẽ ở hình 1.19a và hình 1.19b là sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt siêu cao tần trên dây cáp đồng trục. Điôt đ−ợc đặt ở chỗ đứt của lõi giữa dây đồng trục ở gần thành gắn mạch tạo thành tấm toả 29
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO nhiệt. để ghép với tải ta có thể áp dụng loại ghép bất kỳ: ghép điện cảm ghép điện dung, ghép qua cửa sổ điện cảm hoặc biến áp 1/4 b−ớc sóng. Điôt SCT DC RF Hình 1.19a: Bộ dao động điốt SCT trên ống sóng đồng trục Hình 1.19b: Sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt SCT trên dây đồng trục. Việc điều h−ởng tần số bằng pít tông ngắn mạch di động (điều h−ởng dải rộng) hoặc bằng cách dịch chuyển biết áp 1/4 b−ớc sóng hay dùng các phần tử tinh chỉnh loại điện dung hoặc điện cảm (điều chỉnh dải hẹp). Khi thiết kế bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống đồng trục cần l−u ý có 3 điểm chính: - Đ−ờng kính của lõi trong đồng trục cần phải chọn sao cho khi lắp điốt không bị hở khe (càng ít sụ mấtNTTULIB liên tục càng tốt). - Đ−ờng kính của lõi ngoài cáp đồng trục cần đủ nhỏ để các mốt của ống sóng đồng trục không suất hiện. - Hệ số phần tử không tải của hốc cộng h−ởng càng lớn càng tốt. Bằng một vít điều h−ởng ta có thể tinh chỉnh tần số cộng h−ởng - Vít này th−ờng đ−ợc đặt giữa hốc cộng h−ởng vì ở đó có điện tr−ờng cực đại Độ lớn của công suất ghép ra có thể đ−ợc điều chỉnh bằng cách chuyển động ra hoặc vào đầu dò hoặc khung ghép. 30
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Bộ dao động kiểu đồng trục t−ơng đối đơn giản rẻ tiền và rễ dàng điều h−ởng. Nh−ợc điểm của chúng là có hệ số phẩm chất thấp (chỉ khoảng 50 ữ 100) giống nh− bộ dao động ở mạch dải nh−ng nặng hơn nhiều. 1.8. Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật. Cấu tạo loại ống dẫn sóng hình chữ nhật có đặc điểm là tổn hao nhỏ, dải điều h−ởng tần số khá hẹp, rất thuận khi dùng trong các bộ dao động nhiều điốt. Điôt th−ờng đ−ợc đặt ở phía d−ới giá đỡ kề liền với thành rộng của ống dẫn sóng và đ−ợc đặt song song với đ−ờng sức điện tr−ờng. Hốc cộng h−ởng làm việc ở mốt TE101- Ghép với tải đ−ợc thực hiện qua cửa sổ điện cảm hay điện dung đặt cách điốt một khoảng l. Việc điều h−ởng tần số đ−ợc thực hiện bằng que dò điện môi đ−a vào khoang của ống dẫn sóng ngắn mạch hoặc là bằng pit tông ngắn mạch di động. Dải điều h−ởng tần số và tính tuyến tính dải điều h−ởng tần số sẽ tăng lên khi giảm chiều cao của ống dẫn sóng. Thông th−ờng điện áp cấp cho điốt đi qua bộ lọc tần thấp loại đồng trục. Đôi khi một đầu điốt đ−ợc ép chặt trực tiếp vào thành d−ới của ống dẫn sóng, còn thiên áp cấp cho điốt đi qua giá đỡ mà trong tr−ờng hợp này phải đ−ợc cách điện với vỏ bằng tụ thông. Hình 1.20 vẽ bộ dao động trên ống sóng ghép trực tiếp, hình 1.21a, 1.21b là bộ dao động ghép qua cửa sổ điện cảm và sơ đồ mạch t−ơng đ−ơng của nó. vít điện dung DC NTTULIB Pit tông ngắn mạch RF Điôt Hình 1.20: Bộ dao động trên ống sóng ghép trực tiếp. 31
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO vít điện dung Hình 1.21a: Bộ dao động ghép qua cửa sổ điện cảm Hình 1.21b: Sơ đồ t−ơng đ−ơng bộ dao động ghép qua cửa sổ điện cảm. Loại thứ nhất có hệ số phẩm chất khoảng 200 ữ 1000. Còn loại thứ hai thì cao hơn có thể đạt tới 1000 ữ 2000. Cơ cấu điều h−ởng bằng cơ khí đ−ợc thực hiện bằng pít tông và vít điều h−ởng (các vít này có thể làm bằng kim loại hoặc chất điện môi. 1.9. Bộ dao động dùng nhiều điốt. Cấu tạo của bộ dao động nhiều điốt đ−ợc thực hiện trên cơ sở các phần tử giống nh− bộ dao động NTTULIBmột điốt. Đó là hộp cộng h−ởng, giá đỡ điốt, ấm toả nhiệt, các phần tử điều chỉnh và tinh chỉnh. Nó chỉ khác ở chỗ kích th−ớc hộp cộng h−ởng đ−ợc chọn sao cho mắc đối xứng tất cả các điốt ở hộp cộng h−ởng chung qua dây đồng trục phối hợp, điều này đảm bảo độ ổn định và hiệu qủa cao của phép cộng công suất do phân tán tham số của điốt. 32
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Ch−ơng II Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) Nh− chúng ta đã nhắc ở phần trên, các bộ tạo dao động th−ờng đ−ợc chia làm hai nhóm chính: - Các bộ khuếch đại với hồi tiếp d−ơng, thoả mãn tiêu chuẩn Barkhausen hoặc - Các mạch điện trở âm. ở dải cao tần và siêu cao tần kỹ thuật thiết kế điện trở âm th−ờng đ−ợc −a chuộng hơn. 2.1. ph−ơng pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ S. Phần này giới thiệu ph−ơng pháp thiết kế bộ dao động sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ S[1][17][18][19]. Các công thức thiết kế đ−ợc phát triển từ lý thuyết cơ bản. Các công thức này sau đó đ−ợc ứng dụng cho 3 loại bộ dao động khác nhau: bộ dao động có mạch cộng h−ởng tham số tập trung Bipolar 3GHz, bộ dao động mạch cộng h−ởng điện môi Bipolar 3GHz và bộ dao động có mạch cộng h−ởng điện môi GaAs FET 10GHz. 2.1.1. Lý thuyết chung Transistor siêu cao tần có thể sử dụng trong các ứng dụng về tạo dao động và khuếch đại Từ các thamNTTULIB số tín hiệu nhỏ S của bán dẫn, hệ số ổn định k có thể đ−ợc tính bằng: 1+ D 2 − S 2 − S 2 k = 11 22 (2.1) 2 S21 S12 trong đó k = S11S22 – S21S12 (2.2) (vì các tham số S của transistor thay đổi theo tần số, do đó k cũng thay đổi theo tần số) 33
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Transistor ổn định không điều kiện ở mọi tần số nếu k >1. Điều kiện này đảm bảo rằng ở tần số cho tr−ớc transistor sẽ không dao động với bất kỳ tải nào có điện trở d−ơng (vùng trở kháng bên trong đồ thị Smith). Để tính toán cho chặt chẽ chúng ta đ−a vào điều kiện D 1. ở bất kỳ tần số nào điều kiện này đ−ợc thoả mãn, có thể đạt đ−ợc phối hợp trở kháng đồng thời ở cả 2 cổng, kết quả là: ' S12S21ΓL S11 = S11 + = 0 (2.3) 1− S22ΓL ' S12S21ΓG S22 = S22 + = 0 (2.4) 1− S11ΓG trong các ph−ơng trình này: ΓG là hệ số phản xạ nhìn về phía máy phát, ΓL là hệ số phản xạ nhìn về phía tải, các tham số S không quan trọng của transistor đ−ợc đo với tải 50 Ω, các tham số S quan trọng chỉ ra tác động của tải transitor với ΓG và ΓL. Khi các công thức (2.3) và (2.4) đ−ợc thoả mãn, sẽ không có công suất phản xạ nào cả ở đầu vào hoặc đầu ra. Hệ số khuếch đại của transistor d−ới các điều kiện đó có giá trị lớn nhất và đ−ợc tính bằng công thức: 2 ' S21 2 Gma = S21 = (k − k −1) (2.5) S12 Các tham số S là hàm của đầu nối chung (đất). Các bộ khuếch đại th−ờng thiết kế emitter chung hoặcNTTULIB nguồn chung, trong đó k th−ờng > 1. Nếu k <1 vẫn có thể thiết kế bộ khuếch đại nh−ng có hệ số khuếch đại bị hạn chế. Để thực hiện phải có cả ΓG và ΓL trong vùng ổn định đ−ợc thỏa mãn. Với k <1 khó có thể ’* ’* đồng thời phối hợp trở kháng, chọn ΓG = S11 = 0 và ΓL = S22 = 0 cho kết quả với những tải trong vùng không ổn định. Với k <1, bộ khuếch đại sẽ không phối hợp hoàn toàn, nhiều bộ khuếch đại đ−ợc làm theo kiểu này. D−ới đây chúng tôi sẽ trình bày giải pháp làm thế nào để thiết kế bộ dao động sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ S. Nếu chúng ta thiết kế “bộ khuếch đại” 34
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO với k 1 ở tần số dao động Mong muốn, điều kiện (2.6) có thể đạt đ−ợc bằng cách hoặc là thay đổi kết cấu 2 cửa (ví dụ: thay đổi từ emitter chung sang base chung hoặc collector chung) hoặc bằng cách đ−a thêm vào mạch hồi tiếp. Điều kiện (2.7) khẳng định rằng bộ dao động tạo ra công suất ở cả 2 cửa. Nếu một trong 2 điều kiện của (2.7) thỏa mãn, điều kiện còn lại sẽ tự thỏa mãn. Một khi ta đã đạt đ−ợc k <1, điều kiện (2.7) cho ta mối liên hệ cần thiết để hoàn thành thiết kế bộ dao động.NTTULIB Chúng ta sẽ chọn lựa kỹ thuật cộng h−ởng đầu vào và thiết kế phối hợp trở kháng để thỏa mãn điều kiện (2.7) ở đầu ra. Tần số phía trên của bộ dao động bị giới hạn bởi f max , là tần số mà hệ số khuếch đại đơn bằng 1. Hệ số khuếch đại đơn đ−ợc tạo ra bởi việc giảm các tham số tán xạ S tới một tham số khuếch đại đơn đ−ợc cho bởi: ’ S11 = 0 ’ S22 = 0 ’ S12 = 0 35
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 2 ' 1/ 2 S21 / S12 −1 U = S21 = (2.8) k S21 / S12 − Re{}S21 / S12 Tham số U là hệ số khuếch đại cao nhất mà transistor đã từng đạt đ−ợc và nó không thay đổi đối với đầu nối chung. Trong thực tế rất khó có thể thiết kế đ−ợc bộ dao động hữu ích ở tần số lớn hơn f max /2 2.1.2. Các b−ớc thiết kế Nh− vậy việc thiết kế bộ dao động từ các tham số S đ−ợc tiến hành nh− sau. Đầu tiên, chọn các linh kiện tích cực và hệ số ổn định k của nó đ−ợc tính ở tần số dao động Mong muốn. Nếu k 1 phải thay đổi kết cấu mạch hoặc thêm mạch hồi tiếp cho tới khi đạt đ−ợc k 1. Nh− vậy điều kiện thiết kế là S 22 > 1. (2.9) Điều kiện này có thể đ−ợc xem nh− là trạng thái mà ở đó có trở kháng âm ở đầu ra của transistor. Có nhiều kỹ thuật để thực hiện mạch đầu vào hoặc mạch cộng h−ởng kiểu nh− thế này. Một ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng để mô phỏng trên máy tính và tối −u hóa điều kiện mà S11 của một cổng bao gồm mạch cộng ’ h−ởng nối tầng với transistor (nó bằng với S22 của transistor) phải lớn hơn một. Nếu mạch cộng h−ởng thỏa mãn tính chất ΓG =1 thì nó sẽ là mạch không tổn hao, đây là đặc tính mong muốn trong hầu hết thiết kế các bộ dao động. Các bộ dao động th−ờng đ−ợc đặtNTTULIB tên theo loại mạch cộng h−ởng ta sử dụng, đ−ợc chỉ ra trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Loại mạch cộng h−ởng Tên bộ dao động Hốc cộng h−ởng Hệ số phẩm chất Q cao và ổn định YIG YTO (Bộ dao động điều h−ởng YIG) Varactor VTO (Bộ dao động điều h−ởng điện áp) Đ−ờng truyền tổn hao nhỏ Bộ dao động tham số phân bố hoặc 36
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO vi dải Phần tử tham số tập trung Bộ dao động tham số tập trung tổn hao nhỏ Cộng h−ởng điện môi DRO (Bộ dao động cộng h−ởng điện môi) Với mạch đầu vào đ−ợc thiết lập, mạch tải đ−ợc thiết kế phải thỏa mãn ’ ΓL = 1/S22 (2.10) ' nó đ−ợc suy ra trực tiếp từ điều kiện (2.7). Cần l−u ý rằng do S22 > 1, ph−ơng trình này bảo đảm ΓL 100 (2.11) Để thỏa mãn điều kiện (2.9) thì đòi hỏi ΓL < 0.01, điều này t−ơng đ−ơng với tải 50 Ω. Ph−ơng pháp thiết kế trên đây chỉ cho ta biết tr−ớc đ−ợc tần số dao động mà không cho ta biết đ−ợc về công suất đầu ra, các hài, tạp pha và các tham số khác ta có thể quan tâm. Nói chung công suất đầu ra của bộ dao động gần bằng công suất nén 1 dB (P1 dB ) của transistor đ−ợc sử dụng nh− là khuếch đại nếu thiên áp đ−ợc thiết kế P1 dB max. Các tham số khác sẽ đo đ−ợc sau khi thiết kế xong bộ dao động. NTTULIB Bộ dao động điều khiển bằng điện áp ( VCO) Phần này mô tả thiết kế và thực hiện hai bộ dao động đ−ợc điều khiển bằng điện áp (VCO) với giá thành thấp, dải tần từ 750 - 1250 MHz dùng cho các ứng dụng giảm tần trong TV. Mỗi VCO bao gồm 2 linh kiện bán dẫn tích cực và cả thiết kế sử dụng AT-41411 (của hãng Agilent Technologies) nh− là dao động. Bán dẫn này giá thành rẻ, là transistor silicon bipolar tạp thấp theo công nghệ đóng vỏ bề mặt SOT-143. Với tầng đệm, một dạng dùng transistor bipolar công 37
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO suất trung bình Agilent AT-42086, một dạng dùng mạch tích hợp siêu cao tần silicon monolithic Agilent MSA-1104. Điốt Varactor là điốt BB405B của Siemens với điện dung danh định khoảng 2-15pF theo điện áp từ 1-28V. Tất cả các linh kiện dùng trong thiết kế này đều có giá thành rẻ. Mục đích Cả hai bộ VCOs đ−ợc thiết kế với công suất đầu ra tối thiểu khoảng +13dBm trên một dải tần cụ thể. Các tham số này đ−ợc liệt kê trong bảng 1. Bảng 1: Các tham số của bộ VCO Tham số Giá trị Tần số 750-1250 MHz Công suất ra ≥ +13dBm Sự thay đổi công suất theo tần số ± 1,5dB Điện áp cung cấp + 12V ± 0,1V Dòng cung cấp ≤ 70 mA Điện áp điều chỉnh 1-23V Các mức hài > -15dBc Sơ đồ bộ dao động Bộ dao động có thể thiết kế sử dụng các dạng mạch khác nhau. Với linh kiện bipolar, bộ dao động có thể mắc emitter chung, collector chung hoặc base chung dùng phản hồi nối tiếp hoặc song song. Công suất cao tần của bộ VCO có thể đạt đ−ợc qua điện trởNTTULIB tải mắc nối tiếp với bất kỳ một phần tử chủ động nào trong mạch dao động có phản hồi nối tiếp hoặc qua điện trở tải mắc song song với bất kỳ một phần tử chủ động nào trong mạch dao động có phản hồi song song. Một số ví dụ về mạch dao động cơ bản đ−ợc vẽ ở hình 1. 38
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Sơ đồ kiểu mạch dao động sử dụng hồi tiếp nối tiếp X3 X3 X2 X1 X2 X1 RL R L Công suất lấy tại Collector Công suất lấy tại Emitter Sơ đồ kiểu mạch dao động sử dụng hồi tiếp song song B2 B2 B B3 3 G L GL B B1 1 Công suất lấy qua Collector và Emitter Công suất lấy qua Collector và Base Hình 2.2: Các ví dụ về mạch dao động cơ bản Các b−ớc thiết kế bộ dao động Chúng ta chọn bộ NTTULIBdao động mắc collector chung có phản hồi nối tiếp để thiết kế. Trong mạch cộng h−ởng, tần số đ−ợc thiết lập bằng phần tử XR mắc nối tiếp giữa base và đất. Cấu trúc này có sự sắp đặt thiên áp đơn giản, với chỉ 3 điện trở và không yêu cầu cuộn chặn cao tần. Sơ đồ bộ dao động chung đ−ợc vẽ ở hình 2. Trong tr−ờng hợp thiết kế bộ VCO này, phần tử XR đ−ợc điều chỉnh bằng điốt Varactor mắc nối tiếp với đoạn mạch dải XBF tạo ra phần phản hồi nối tiếp với giá trị nhỏ của tụ điện nối giữa emitter và collector . Giá trị tụ điện hiện tại sẽ 39
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO xác định tần số biên d−ới mà bộ dao động làm việc. Công suất đ−ợc đ−a tới tải qua mạch phối hợp XM tại cổng emitter. XR XFB XM Đầu ra 50 Ω Hình 2.3: Bộ dao động mắc Collector chung. Ví dụ thiết kế 1: Phân tích bộ VCO nh− là mạng 1 cửa Tr−ớc tiên, ta hãy phân tích bộ dao động nh− là mạng 1 cửa (hình 2.4). Transistor đ−ợc sử dụng mắc collector chung có đặc tính nh− là mạng 2 cửa. S11 của linh kiện đ−ợc tải bằng bằng mạch phối hợp thụ động, nó sẽ tạo ra S11OSC của bộ dao động > 1. Kiểm chứng công thức chỉ ra rằng nếu chúng ta muốn phối hợp đầu ra của bộ VCO với tải 50Ω với hệ số sóng đứng nhỏ hơn 1,02: 1 (Γ =0,01) thì S11OSC phải lớn hơn 100 để truyền tối −u công suất. Tải phối hợp có thể tối −u đối với mạch phối hợp đầu ra cho tr−ớc trên toàn bộ dải thông yêu cầu. Mạch cộng h−ởng nối tiếp bao gồm mạch cộng h−ởng trên mạch dải mắc nối tiếp với điốt varactor đ−ợc sử dụng để tải S11 của linh kiện. Đầu tiên ta nối đầu ra của VCO với tải 50Ω. Với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, giá trị của mạch cộng h−ởng nối tiếpNTTULIB đ−ợc điều chỉnh sao cho mạng cho mối liên hệ cần thiết giữa điện áp varactor theo tần số. Tần số tại đỉnh S11OSC xác định tần số dao động. Tại điểm thiết kế này chỉ cần S11OSC > 1 trên toàn bộ dải thông. B−ớc tiếp theo mạch phối hợp đầu ra có thể tối −u hóa sao cho S11OSC có giá trị càng cao càng tốt trên toàn bộ dải tần khi điều chỉnh của điện áp Varactor. Trong tr−ờng hợp dải hẹp, không khó khăn lắm để đạt đ−ợc S11OSC > 100, khi đó phối hợp tốt với tải 50Ω. Tuy nhiên vì đây là thiết kế bộ VCO dải rộng nên rất 40
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO khó để kết hợp mạch phối hợp và mạch cộng h−ởng để có S11OSC ở mọi chỗ gần giá trị đó. Để dung hòa, ta thiết lập S11OSC trong khoảng từ 2- 5 khi varactor đ−ợc điểu h−ởng trên toàn dải Vì công suất đầu ra của một bộ dao động điển hình giảm nhanh theo tần số, có thể sẽ thuận lợi cho thiết kế mạch phối hợp tốt hơn ở tần số cao trong nỗ lực làm đồng đều đ−ờng cong liên hệ giữa công suất theo tần số. S11OSC cao hơn ở tần số phía trên sẽ có khuynh h−ớng bù vào việc giảm hệ số khuếch đại của linh kiện tích cực. Hình 2.4 là sơ đồ mạch điện của bộ dao động và kết qủa tính toán bằng máy tính đ−ợc liệt kê ở bảng 2.3. Giá trị điện dung varactor yêu cầu để S11OSC cực đại đ−ợc cho tại 3 tần số trong dải tần. Mạch phối hợp đầu ra bao gồm C1, C2 và R1- Chọn C2 = 2,7pF để xấp xỉ l−ợng phản hồi sao cho k <1 trong toàn bộ dải thông. Ph−ơng pháp thiết kế giới thiệu ở đây chỉ dự đoán đ−ợc tần số dao động. Thiết kế này chỉ gần đúng khi chỉ sử dụng các tham số S tín hiệu nhỏ trong phân tích. Để mô phỏng công suất đầu ra hoặc phổ dao động có cả hài và tạp pha nên sử dụng ch−ơng trình phần mềm SPICE, hoặc sử dụng qúa trình cân bằng hài Bảng 2.3: Quan hệ giữa S11 theo tần số của VCO Tần số (MHz) S11 Góc Giá trị tụ điện của Varactor (Mag.) (pF) 750 2,335 -142,1 14,2 1000 2,520 -175,4 4,0 1250 3,219 147,7 2,0 NTTULIB Mạch cộng Linh kiện tích Mạch phối Tải h−ởng cực hợp đầu ra 50Ω ΓG S11 S22 của linh kiện của linh kiện S11 ΓL OSC 41
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Hình 2. 4: Sơ đồ khối thiết kế bộ dao động một cửa. C1 C4 C7 R R C 1 2 5 C 3 C 8 Z1 Z2 Z3 Q C2 C R 6 R 3 4 Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện bộ dao động sử dụng Agilent AT-41411 Ví dụ thiết kế 2: Phân tích bộ VCO nh− là mạng 2 cửa Một ph−ơng pháp khác để thiết kế bộ VCO là ph−ơng pháp mạng 2 cửa. Mạng 2 cửa bao gồm linh kiện tích cực và mạch phối hợp đầu ra. Mạch phối hợp ' đầu ra đ−ợc thiết kế sao cho S11 của mạng 2 cực lớn hơn 1 trên toàn bộ dải tần mong muốn. ΓG của mạch bên ngoài coi là đầu vào của mạng 2 cửa và đ−ợc thiết kế để cộng h−ởng với S11 của mạng 2 cửa. Hình 2.6 là sơ đồ khối của phép phân Mạng 2 cửa tích này. NTTULIB Mạch cộng Linh kiện tích Mạch phối Tải h−ởng cực hợp đầu ra 50Ω ' ΓG S11 = S11 của linh kiện S Γ 22 L Hình 2.6: Sơ đồ khối thiết kế bộ dao động hai cửa. 42
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Để hiểu kỹ hơn về thiết kế t−ơng tự nh− mạng 2 cửa, sơ đồ mạch bộ VCO đã vẽ ở hình 2.4 sẽ đ−ợc phân tích nh− là mạng 2 cửa. Tr−ớc tiên, mạch cộng h−ởng (hình 2.6) đ−ợc tách riêng ra từ mạch hình 2.4 để phân tích. Tiếp theo mạch duy trì dao động đ−ợc phân tích độc lập trong toàn bộ dải tần. Số liệu trong bảng 3 cho biết thay đổi của ΓG vào điện dung biến thiên của điốt varactor. So sánh số liệu này với số liệu trong bảng 2.4 của phần còn lại của mạch. Để bắt đầu có dao động, điều kiện cần thiết là: ΓG > 1/ S11 . Bảng 2.4: Sự phụ thuộc của ΓG vào điện dung điốt varactor đối với mạch cộng h−ởng trong hình 2.6. Giá trị tụ điện của Tần số (MHz) S11 Góc Varactor (pF) (Mag.) 750 0,951 39,0 * 14,2 1000 0,966 -73,3 1250 0,986 -122,4 750 0,994 -179,8 3,7 1000 0,962 87,2 * 1250 0,969 -82,5 750 0,991 -144,6 1,7 1000 0,993 -173,9 1250 0,981 137,5 * (* biểu thị điều kiện cộng h−ởng với mạng 2 cửa vẽ ở hình 2.5). Ví dụ thiết kế NTTULIB3: Phân tích bộ VCO với cấu hình bộ đệm Để giảm ảnh h−ởng việc kéo trên VCO bằng tải bên ngoài, nên sử dụng một bộ khuếch đại đệm. Bộ khuếch đại đệm cho công suất ra lớn hơn công suất ra của bản thân tầng dao động, trong khi độ phân cách ng−ợc thêm vào sẽ làm giảm sự kéo tải. Thiết kế mạch cần thiết là t−ơng đối đơn giản. Gồm các b−ớc nh− sau: 1/ Thiết kế bộ dao động để hoạt động trong dải tần Mong muốn với dải tần Mong muốn cho trở kháng phù hợp, đó là 50Ω; 43
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 2/ Thiết kế bộ khuếch đại đệm với đầu vào/ ra phối hợp với 50Ω, cần chú ý đến độ ổn định và 3/ Nối ghép 2 mạch và điều chỉnh mạch phối hợp liên kết giữa 2 tầng để có đáp ứng Mong muốn. Sơ đồ khối của bộ VCO đ−ợc vẽ ở hình 2.7. Mạng 2 cửa Mạch cộng Linh kiện Mạch khuếch Mạch phối Tải h−ởng tích cực liên đại đệm hợp đầu ra 50Ω kết ' ΓG S11 = S11 của linh kiện S22 ΓL Hình 2.7: Sơ đồ khối thiết kế bộ dao động có bộ đệm. Qui trình để thực hiện b−ớc 1 trong phần thiết kế nh− đã đ−ợc mô tả trong ví dụ thiết kế đầu tiên. Các b−ớc 2 và 3, cho bộ đệm MMIC hoặc bộ đệm transistor riêng lẻ sẽ đ−ợc mô tả sau đây: + Bộ đệm MMIC Cách tiếp cận đơn giản tới bộ khuếch đại đệm là sử dụng MMIC. Linh kiện Agilent MSA- 1104NTTULIB có hệ số khuếch đại khoảng 12dB với điểm nén hệ số khuếch đại 1dB (P1dB ) lớn hơn +17dBm. Đầu vào thấp và hệ số sóng đứng đầu ra của MSA-1104 kết hợp với 14 dB của độ cách điện ng−ợc làm cho nó trở thành bộ đệm lý t−ởng cho tầng dao động. Bộ VCO cơ bản đ−ợc phân tích nh− là mạng 2 cửa và đ−ợc ghép nối với tầng MSA-1104 Mạng 2 cửa đ−ợc tối −u hóa về hệ số khuếch đại, độ phẳng khuếch đại và hệ số phản xạ đầu vào trong toàn bộ dải điện áp điều chỉnh. Chú ý rằng S11 >1,2 trong toàn bộ dải tần Mong muốn, điều đó có nghĩa là mạch cộng h−ởng đã nói ở phần tr−ớc sẽ cộng h−ởng hoàn toàn. Tụ hồi tiếp song song C1 có 44
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO ảnh h−ởng lớn đến S11 và khả năng dao động của mạch ở tần số thấp. Theo mô phỏng C1 =4,7pF là tối −u. + Bộ đệm transistor bipolar Khác với bộ đệm MMIC sử dụng transistor bipolar rời rạc với mạch phối hợp trở kháng tthích hợp để đạt đ−ợc công suất đầu ra t−ơng đối ổn định trong toàn bộ dải tần. Chọn linh kiện Agilent AT-42086 có công suất ra trung bình và hệ số khuếch đại vừa phải Bộ đệm transistor bipolar đ−ợc thiết kế là ổn định không điều kiện và có hệ số khuếch đại dải rộng từ 2,6-3,1GHz nh− đ−ợc đo trong hệ thống 50Ω. Sau đó nối bộ đệm với tầng tạo dao động, nh− vẽ trong hình 2.4. Mạch liên kết giữa các tầng và tụ hồi tiếp sau đó đ−ợc tối −u hóa để có độ khuếch đại bằng phẳng trong toàn bộ dải tần trong khi vẫn đảm bảo S11 >1,2. Điều đó cũng quan trọng để phân tích tỷ số giữa góc phản xạ cực đại và dải thông điều h−ởng mong muốn. Sơ đồ mạch của bộ VCO sử dụng bộ đệm khuếch đại Agilent AT-42086 vẽ ở hình 2.8. Việc đo đạc thực tế phù hợp với mô phỏng của máy tính. Giá trị thực tế của các linh kiện trong mạch liên kết giữa các tầng chỉ thay đổi nhỏ so với những giá trị tính toán bằng máy tính. Bộ VCO thay đổi từ 2,6GHz đến 3,1GHz với điện áp điều chỉnh từ 1-20V. Công suất ra trong dải tần từ 2,6GHz đến 3,1GHz thay đổi trong khoảng từ +10dBm đến +13dBm. Công suất đầu ra và mức hài bậc 2 theo tần số thể hiện trong bảng 2.6. Bảng 2.5: NTTULIBMô phỏng tính toán của bộ VCO 2 cửa sử dụng AT-11411 và AT-42086 Tần số S11 Góc S22 Góc S21 (MHz) (Mag.) (Mag.) (dB) 1,74 -31,8 0,65 -6,7 24,1 1,90 -39,0 0,70 -13,9 25,4 1,77 -102,1 0,67 -43,8 27,1 1,44 -137,9 0,76 -107,1 25,5 1,35 -149,3 0,64 -128,6 24,3 45
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Bảng 2.6: Kết qủa của bộ VCO sử dụng bán dẫn tạo dao động AT-11411 và bộ đệm AT-42086 Điện áp điều Tần số (MHz) Công suất ra Mức hài bậc 2 chỉnh (V) (dBm) (-dBc) 0 680 +15,0 -17 1 725 +15,6 -23 5 840 +15,8 -17 10 960 +16,2 -16 14 1000 +17,1 - 20 1220 +14,5 - 22 1255 +13,0 - 24 1280 +11,7 - 26 1300 +11,0 - 2.2. Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt Gunn và điốt Varactor Cấu tạo ống dẫn sóng có đặc điểm là tổn hao nhỏ, dải điều h−ởng tần số khá hẹp, rất tiện lợi khi dùng trong các bộ dao động nhiều điốt. Điốt đ−ợc đặt ở giữa thành rộng của ống dẫn sóng hình chữ nhật nhờ giá đỡ hình trụ (có tác dụng dẫn dòng điện đồng thời làm tấm tỏa nhiệt). Ghép với tải đ−ợc thực hiện qua cửa sổ điện cảm (hình 2.9b) hay vít điện dung (hình 2.9a) đặt cách điốt một khoảng l, việc điều h−ởng tần số đ−ợc thực hiện bằng que dò điện môi đ−a vào khoang của ống dẫn sóng ngắn mạch hoặc làm bằng pít-tông ngắn mạch có thể điều chỉnh đ−ợc (hình 2.9a). Dải điều h−ởng tần số, tính tuyến tính dải điều h−ởng tần số và độ ổn định tần số sẽ tăng lên khi giảm chiều cao của ống dẫn sóng. NTTULIB 46
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Vít điện dung Cấp nguồn Pít - tông ngắn mạch (a) Điốt Varactor Điốt Gunn Cấp nguồn Pít - tông ngắn mạch Cửa sổ điện cảm (b) Điốt Varactor Điốt Hình 2.9: Bộ dao động VCO trên ống sóng sử dụng điốt Gunn và Varactor Thiết kế bộ dao động điốt trên ống sóng áp dụng lý thuyết đ−ờng truyền, đảm bảo trong hộp cộng h−ởng ống dẫn sóng dao động mốt H10n. Lúc đó ở sơ đồ t−ơng đ−ơng ống dẫn sóng là đoạn đ−ờng truyền ống dẫn sóng có trở kháng sóng [1][12][13]: Z = 120π (b / a)[ 1− (λ / 2a)2 ]−1.sin 2 (πl / a) o NTTULIB 0 dp (2.12) Trong đó: a,b là chiều rộng và chiều cao của ống dẫn sóng, λo là b−ớc sóng công tác, ldp là khoảng cách từ góc giá đỡ đến thành hẹp của ống sóng. Và b−ớc sóng trong đ−ờng truyền: λλ=−[(12λ/a)21]− /2 g 00 (2.13) Ta có sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt trên ống dẫn sóng ở hình 2.10. 47
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO jX jX b 2 b jXa Gt jBt RV -G Cd d Cj 2 L L t P Hình 2.10: Sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt trên ống dẫn sóng. Trong đó giá đỡ của điốt là các tham số điện kháng t−ơng đ−ơng Xa, Xb, còn của sổ điện cảm qua đó thực hiện ghép với tải là điện kháng Bt, chiều dài của đoạn ống dẫn sóng ngắn mạch và phối hợp là Lp, và Lt. Trên cơ sở của biểu thức đã biết với đ−ờng truyền dẫn, ta xác định điện dẫn tổng ở tiết diện của ống dẫn sóng về bên trái và về bên phải so với mặt phẳng tiết diện . Về phía bên phải: 2 2 2 Gt (1+ tg β.Lt ) + j[Bt (1− tg β.Lt ) − Z0Bt tgβLt ] (2-14) Y2t = 2 2 (1− Z0Bttgβ.Lt ) + tg βLt NTTULIB Về phía trái điện dẫn Y2p phụ thuộc vào độ dài ống dẫn sóng ngắn mạch Lp. Thông th−ờng Lp đ−ợc chọn sao cho điện kháng tổng ở mặt nối điốt bằng 0. λ 2 2 λ g rd − (X d + X a ) g (2-15) LP = arctg ± n 2π Z0 (X d + X a ) 2 Do đó G X G Y = t + j a t 2 P 2 2 2 2 (2-16) 1 − X a G t 1 − X a G t 48
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO ở đây Y2P là điện dẫn tổng ở mặt phẳng mắc điốt. Cân bằng phần thực và phần ảo (2.14) và (2.16) ta đ−ợc hệ ph−ơng trình có hai ẩn số là Lt và Bt. rd (2.17) Gt = 2 2 rd − (X d + X a ) G (1+ tg2β.L ) G t t = t (1− Z B tgβL )2 + tg 2βL 1− X 2G2 0 t t t b t (2.18) 2 Bt (1− tg βLt ) − ρBttgβLt X aGt 2 2 = 2 2 (1− Z0BttgβLt ) + tg LIt 1− X abGt Trong đó: (2.19) K K X b = Z0 ∑ X ai (hi /b); X b = Z0 ∑ X bi (hi /b) i=1 i=1 Các hệ số Xai, Xbi đ−ợc xác định theo các đồ thị cho trong sổ tra cứu siêu cao tần đối với mỗi đoạn que dò thứ i, nếu kết quả giải hệ ph−ơng trình (2.18) nhận đ−ợc Bt 0 thì phải sử dụng vít điện dung. Độ rộng cửa sổ điện cảm đ−ợc xác định theo các đồ thị cho trong sổ tra cứu nói trên. Giải ph−ơng trình (2.18) có thể bằng ph−ơng pháp số trên máy tính điện tử hoặc là dùng đồ thị trở kháng toàn phần. Xuất phát từ ph−ơng trình cơ bản: YC + YD = 0 (2.20) Trong đó: YC = GC + jBC dẫn nạp của bộ ghép với phần tử tích cực. Y = -G + jB dẫn nạp của phần tử tích cực D NTTULIBD D Ta có thể tính tần số và công suất: YC = YtV + Gt (2.21) GV + jCBv + Y0tgβ;l − Y0ctgβlr ) Trong đó: YtV = YD (2.22) YD + YD ctgβlr tgβl − BV tgβl + jGV tgβl 2 2 GV ≅ ω Cj RV; BV = jωCj Sự thay đổi tần số sẽ là: 49
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO ⎡ 2 2 ⎛ 2 ⎞ ⎤ ⎢ 2gV tg βl⎜1− ⎟ ⎥ αf ∆C ⎜ B tgβl ⎟ ∆f = j ⎢1+ ⎝ V ⎠ ⎥ (2.23) 2Q C ()0 ⎢ ()1− l tgβl 2 + g tg 2 βl ⎥ t j ⎢ V V ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ g f Trong đó: α = tV 0 g t + gtV f 0 Qt là hệ số phẩm chất của tải gV, gt, gtV và bV là độ dẫn và phần ảo đã đ−ợc chuẩn hoá cho Y0. Hình 2.11 biểu diễn sự thay đổi dung kháng Cj của điốt Varactor. Cj Cj(0) UT 0 Un U Hình 2.11: Sự thay đổi dung kháng Cj của điốt Varactor. Dung kháng Cj của Varactor sẽ thay đổi theo công thức sau (xem hình 2.11). −1 U n C j (U ) = C j (0)(1+ ) (2.24) U h Trong đó: Uh: thiên cấp. U : là thiên áp T NTTULIB N = 2; 3. Từ (2.23) ta có thể thấy nếu Qt càng nhỏ thì dải điều h−ởng càng lớn. Nh−ng khi đó độ ổn định và mối t−ơng quan tạp sẽ càng xấu. Vì vậy ta luôn cần tìm giải pháp dung hoà giữa chúng. Ưu điểm của bộ VCO là đòi hỏi công suất thấp để điều khiển điốt và tốc độ điều h−ởng nhanh. Nh−ợc điểm là độ không tuyến tính của dải điều h−ởng. Sự thay đổi tần số chỉ khoảng 1%. Khi nâng thiên áp cho điốt, nhiệt độ của điốt tăng, độ linh hoạt của các điện tính giảm và tần số giảm. Giới hạn thay 50
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO đổi điện áp cấp cho điốt do điện áp ng−ỡng và thiên áp cực đại cho phép quy định. Tốc độ điều h−ởng lớn, áp dụng để điều chế tần số dải hẹp. 2.3. Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn và điốt varactor[1][2]. Sơ đồ bộ tạo dao động điốt trên mạch dải đ−ợc cho ở hình 1.8. Đầu ra Thiên áp cho varactor Điốt Điốt Gunn Hình 2.12 Sơ đồ bộ tạo dao động điốt trên mạch dải l R Rt = Zt t NTTULIB Z = R + jX v Hình 2.13 Sơ đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt trên mạch dải có biến áp 1/4 b−ớc sóng ghép với tải Các bộ dao động làm trên mạch dải có dải điều h−ởng tần số 10% ữ 15%, có −u điểm là điều h−ởng nhanh, không yêu cầu công suất lớn. Do điều h−ởng bằng phần tử phi tuyến nên có nh−ợc điểm sau: giữa tần số và điện áp điều h−ởng có mối quan hệ phi tuyến, điều h−ởng bằng varactor sinh ra hài Ta có sơ 51
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO đồ t−ơng đ−ơng của bộ dao động điốt trên mạch dải có biến áp 1/4 b−ớc sóng ghép với tải (hình 2.13). Tính toán bộ dao động bao gồm: xác định độ dài l của hộp cộng h−ởng và độ rộng Rb của biến áp đảm bảo trở kháng vào đã cho Zv = R+j X bằng với trở kháng sóng của hộp cộng h−ởng đã cho Zh và của đầu ra Zt, thông th−ờng ng−ời ta cho Zh = Zt= Z0 = 50Ω (cần cho tr−ớc hằng số điện môi ε và độ dày hcủa lớp điện môi, từ đó xác định hằng số điện môi hiệu dụng εhd, b−ớc sóng trong đ−ờng truyền λg và độ rộng hộp cộng h−ởng ở đầu ra theo các đồ thị hoặc biểu thức tính toán cho trong sổ tra cứu siêu cao tần). áp dụng biểu thức đã cho với trở kháng đầu vào của đ−ờng dây chịu tải có trở kháng Rt : R + JZ tgkl t 0 (2-25) Zv = 1+ J (Rt / Z0 ))tgkl Trong đó k = 2π/λg và tách phần thực, phần ảo ta có hệ hai ph−ơng trình (2-26) 2 2 2 2 2 2 2 2 Rt = (l / 2R)[R + X + Z0 ± (R + X + Z0 ) − 4R Z0 ] 2 2 2 2 A ± A − 4R Z0 − 2R l = (λg / 2π )arctg 2 2 2 2 2 2 2 A ± A − 4R Z0 [2Z0 (A ± A − 4R Z0 ) −1] có ẩn số là Rt và tgkl. Giải hệ ta xác định đ−ợc biểu thức của trở kháng tải . Và độ dài cộng h−ởng: ở đây A=R2 + X2 + Z 2 ; R, X ứng với trở kháng của điốt. NTTULIB0 Trở kháng sóng của biến áp đ−ợc xác định là: (2-27) (2-28) Zba = Rt Z0 và với giá trị ρba tìm đ−ợc ta xác định độ rộng của biến áp Rb theo đồ thị Zba = f(Rb) cho trong sổ tra cứu siêu cao tần, chiều dài của biến áp lba = 0,25 Xg. Ph−ơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên mạch dải sử dụng bán dẫn bipolar (hoặc bán dẫn tr−ờng) và điốt varactor (một hoặc nhiều điốt mắc 52
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO song song, tùy thuộc vào dải tần cần điều h−ởng) ta sẽ trình bày chi tiết hơn ở phần sau (phần 4). Đặc điểm của bộ VCO đ−ợc chế tạo theo ph−ơng pháp này là: có dải điều h−ởng bằng điện rất rộng (có thể bằng 100% dải tần ở băng S), công suất ra không lớn vì vậy ở đầu ra th−ờng phải mắc thêm bộ khuếch đại, tạp pha lớn hơn tạp pha của bộ VCO làm trên ống sóng. −u điểm là rất dễ thiết kế chế tạo và hiệu chỉnh, giá thành rẻ hơn rất nhiêu so với bộ VCO làm trên ống sóng cộng h−ởng. NTTULIB 53
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Ch−ơng iii Phân tích Các yếu tố gây ảnh h−ởng đến độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải pháp nâng cao tính ổn định. Độ ở định là vấn đề chủ yếu khi thiết kế. Độ ổn định của bộ dao động là hàm của nhiều yếu tố: nh− là nhiệt độ, chất l−ợng nguồn cung cấp, trở kháng tải, lắc cơ học, sức hút trái đất, lão hoá và tạp của bản thân linh kiện[1][2]. Các nhà thiết kế phải có khả năng đo và lấy đặc tr−ng các tác động này. Độ không ổn định của SMO ảnh h−ởng đến các tham số đặc tr−ng của các thành phần khác trong hệ thống và thậm trí còn làm ảnh h−ởng cả hệ thống đầu vào. Trong phần này chúng tôi đi sâu phân tích các ảnh h−ởng của môi tr−ờng và các yếu tố khác ảnh h−ởng đến độ ổn định của các bộ SMO. Từ đó hệ thống các giải pháp khắc phục các ảnh h−ởng này nhằm nâng cao độ ổn định của các bộ SMO. Việc khảo sát tạp của các bộ dao động là nhiệm vụ khó mà trong quá trình thực hiện cần phải l−u ý đến tính chất vật lý của linh kiện. Khi khảo sát độ ổn định tr−ớc tiên cần phải tính đến ảnh h−ởng khi thay đổi nhiệt độ. Điều này chủ yếu do sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ dẫn và dung kháng linh kiện bán dẫn và một phần nhỏ hơn do sự phụ vào nhiệt độ của hốc cộng h−ởng. 3.1. ổn định tần số có mấy ph−ơng pháp chính sau[4][5][6][7]: • Sử dụng mạch côngNTTULIB h−ởng có hệ số phẩm chất cao và có tính ít phụ thuộc vào nhiệt độ. • áp dụng bình giữ nhiệt (terSMOsztat) để giảm sự thay đổi nhiệt độ. • Bằng cách chọn phần tử điều h−ởng với phụ thuộc nhiệt độ phù hợp để bù khử sự phụ thuộc nhiệt độ của dẫn nạp điốt. Khi thiết kế mắc một tụ điện làm bằng gốm có hằng số điện môi lớn và có hệ số nhiệt độ âm song song 54
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO với điốt điện trở âm, có thể giảm rất nhiều độ lệch nhiệt độ của bộ tạo dao động. • áp dụng điều khiển điện bằng cách sử dụng tín hiệu tham chiếu ổn định chuẩn (ví dụ tín hiệu đã đ−ợc nhân lên của dao động thạch anh). Giải pháp thực hiện có thể là mạch tự động điều chỉnh tần số hoặc trong các giải pháp hiện đại là mạch đồng bộ pha (vòng khoá pha- PLL). • Bằng cách tiêm tín hiệu có mức nhỏ, ổn định. Trong các tài liệu đã đ−a ra rất nhiều bộ dao động điện trở âm. Phần d−ới đây chúng ta giới thiệu một vài giải pháp thực hiện bằng các mạch tích hợp siêu cao tần đặc tr−ng trong số đó. Trong các giải pháp ng−ời ta th−ờng sử dụng điốt GUNN và điốt IMPATT. Xét mạch siêu cao tần thì giữa hai loại không có khác biệt lớn. Còn về nguồn cung cấp thì các điốt GUNN đòi hỏi nguồn ổn áp còn điốt IMPATT đòi hỏi nguồn ổn dòng. Trong các bộ dao động không điều h−ởng, việc tạo ra hốc cộng h−ởng có hệ số phẩm chất cao và việc gá điốt sao cho có điện trở nhiệt bé là khó. Vấn đề này đặc biệt khó ở các bộ dao động IMPATT, nơi mà bên cạnh vài Watt công suất siêu cao tần cần tính đến vài chục Watt công suất tiêu tán. ở các bộ dao động có tần số cố định ng−ời ta th−ờng sử dụng các đoạn đ−ờng truyền có độ dài cho tr−ớc để làm mạch cộng h−ởng, có thể thấy một ví dụ ở hình 1.8. Các mạch cộng h−ởng làm từ các đoạn đ−ờng truyền th−ờng có hệ số phẩm chất t−ơng đối thấp vì vậy tạp của các bộ dao động kiểu này th−ờng lớn và độ ổn định tần số NTTULIBth−ờng kém. Trong các mạch tích hợp siêu cao tần việc đặt phần tử điều h−ởng là đặc biệt khó, nên để tinh chỉnh tần số của một bộ dao động có tần số cố định là cả một vấn đề. Nếu ta không muốn xây dựng bộ dao động điều h−ởng bằng điốt varactor, bằng việc thay đổi một chút điện áp nguồn ta có thể tinh chỉnh đ−ợc tần số bộ dao động. Nếu ta muốn chế tạo bộ dao động ít tạp và có độ ổn định cao hơn ng−ời ta th−ờng chế tạo mạch cộng h−ởng d−ới dạng hốc cộng h−ởng có hệ số phẩm cao hoặc mắc thêm một hốc cộng h−ởng có hệ số phẩm chất cao vào mạch cộng h−ởng đầu tiên. Các bộ dao động điốt điện 55
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO trở âm th−ờng đ−ợc chế tạo rộng rãi d−ới dạng VCO (các bộ dao động có thể điều h−ởng). Phần tiếp sau chúng ta sẽ đi chi tiết về các bộ VCO này. 3.2. Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần Nh− chúng ta đã biết bất kỳ bộ SMO điện trở âm nào cũng gồm một phần tử tích cực (là điốt điện trở âm hay tranzitor) và một mạch ngoài nối với nó. Nhiệm vụ của mạch ngoài là tạo ra mạch phối hợp trở kháng giữa phần tử tích cực và tải sao cho đảm bảo đ−ợc điều kiện dao động. Khi khởi động, bộ SMO qua trạng thái quá độ chuyển sang trạng thái ổn định. Ta có thể xét bộ SMO nh− mạch một cửa với điện trở âm sử dụng điốt IMPATT hay GUNN hay tranzitor tr−ờng. Hình 3.1 vẽ bộ SMO một cửa điện trở âm, có trở kháng vào của phần tử tích cực là Zvào= Rvào +jXvào . Trở kháng này phụ thuộc vào dòng (hoặc áp) và phụ thuộc vào tần số [1] : Zvào (Ijω) = Rvào (Ijω) + jXvào (Ijω) (3.1) Xvào XTải Phần tử Trở kháng âm Rvào RTải Γvào ΓTải Hình 3.1 Sơ đồ bộ dao động trở kháng âm một cửa Phần tử tích cực đ−ợc nối với trở kháng tải : ZTải = RTaỉ +j XTải Theo định luật Kirchoff taNTTULIB có: (ZTaỉ+Zvào)I=0 (3.2) Nếu có dao động thì I khác 0 và thoả mãn điều kiện dao động: RTaỉ + Rvào =0 (3.3.a) XTaỉ + Xvào =0 (3.3.b) Vì điện trở tải RTaỉ >0 nên Rvào <0. Vậy nếu điện trở d−ơng tiêu thụ công suất thì điện trở âm là nguồn sinh ra công suất. Hai công thức (3.3.a) và (3.3.b) 56
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO là điều kiện dao động của SMO. Điều kiện dao động (3.3.b) xác định tần số dao động. Nh− vậy để có dao động ổn định, phải thoả mãn điều kiện: ZTaỉ= . Zvào, khi có hệ số phản xạ của tải là: ΓTaỉ =1/Γvào (3.4) Quá trình dao động của mạch phụ thuộc vào Zvào , khi bắt đầu dao động SMO có trạng thái mất ổn định tại tần số nhất định, có nghĩa là Rvào (Ijω) + RTaỉ 0. Nh− vậy từ (3.6) ta có: 57
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO ⎧∂Z ∂Z * ⎫ Im⎨ T T ⎬ 0 ∂I ∂ω ∂I ∂ω ∂R ∂X ∂R Với tải thụ động tải = tảiL = tải = 0 thì (3.7) sẽ có dạng : ∂I ∂I ∂ω ∂R ∂ ∂X ∂R vào ()X + X − vào vào > 0 (3.8) ∂I ∂ω L m ∂I ∂ω ∂R ∂(X + X ) Ta đã biết m > 0 , nếu t ải m >> 0 điều này thoả mãn khi ta có hệ số phẩm ∂I ∂ω chất của mạch lớn, khi đó độ ổn định tần số cao. Ta th−ờng dùng hốc cộng h−ởng hay mạch cộng h−ởng điện môi có hệ số phẩm chất Q cao để nâng cao độ ổn định của bộ SMO. 3.3. Ph−ơng pháp ổn định sử dụng hốc cộng h−ởng có hệ số phẩm chất cao Từ những năm 90 ng−ời ta đã thiết kế và chế tạo các bộ SMO băng X có tạp pha thấp và có độ ổn định cao bằng cách áp dụng các mạch cộng h−ởng điện môi Sapphia có chất l−ợng cao. Bộ dao động Hốc cộng h−ởng ổn định tần số Đ−ờng truyền ra Hình 3.2. Sơ đồ bộ NTTULIBSMO đ−ợc ổn định bằng hốc cộng h−ởng có Q cao Hệ số phẩm chất của hốc cộng h−ởng vào khoảng vài chục x1000 và có khả năng điều h−ởng trong dải tần 200MHz. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bộ SMO nguyên thủy ổn định bằng hốc cộng h−ởng đ−ợc thiết kế sao cho hệ số phẩm chất QT bằng vài nghìn, chỉ bị hạn chế bởi Q, QOS là hệ số phẩm chất của hốc cộng h−ởng. Trong tr−ờng hợp tổn hao công suất nhỏ có thể chỉ ra rằng: QT – QTP ≅ QOS . (Ptổnhao/ Pra max) (3.9) 58
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Và fP là độ di tần của bộ SMO nguyên thủy, mà với hốc cộng h−ởng ta có thể loại trừ độ di tần này, ta có: ∆fP/ fO ≅ 1/2QTP . ( Ptổn hao/Pra max) (3.10) trong đó QTP là hệ số phẩm chất tải của bộ SMO nguyên thủy. Ph−ơng pháp ổn định này th−ờng đ−ợc áp dụng cho các bộ SMO điốt Gunn và điốt thác lũ băng X để có đ−ợc nguồn phát tín hiệu hữu ích, đơn giản, có tạp điều chế pha thấp so với các nguồn phát khác. Bằng ph−ơng pháp này có thể giảm tạp điều chế pha (FM) của bôn SMO nhỏ <10kHz. Ph−ơng pháp Galani và kỹ thuật giao thoa tạo ra bộ SMO giao thoa có độ ổn định lớn gấp 300 lần so với bộ SMO ở nhiệt độ bình th−ờng. Phát minh này cho phép các công ty nghiên cứu phát triển radar tiên tíên và hệ thống viễn thông. Họ đã đo tạp pha nhỏ nhất ngay cả trong các bộ SMO đ−ợc ổn định bằng ph−ơng pháp Galani Từ năm 1974 đã phát triển các chuẩn tần số dựa trên các hốc cộng h−ởng Sapphia. Mạch phân biệt tần số và điều khiển nhiệt độ, mạch cộng h−ởng sapphia bù khử nhiệt độ. Ng−ời ta đã nghiên cứu các ph−ơng pháp khác nhau để cải thiện độ ổn định tần số trung tâm của bộ SMO dựa trên các bốc cộng h−ởng đ−ợc gắn Sapphia (SLC). 3.4. Ph−ơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking). Chúng ta có thể sử dụng các ph−ơng pháp bù trừ khác nhau để ổn định tần số. Bằng ph−ơng pháp đồng bộ bộ SMO ta có thể đạt đ−ợc độ ổn định cao và công suất ra lớn Đôi khiNTTULIB ph−ơng pháp ổn định này còn đ−ợc gọi là ph−ơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking). Bằng ph−ơng pháp ổn định này có thể giảm thấp hơn nữa tạp FM của bộ SMO [3]. Trong bộ dao động đồng bộ th−ờng tín hiệu đồng bộ đ−ợc đ−a qua một mạch vòng (circulator) đến bộ SMO nh− đ−ợc thấy ở hình 3.3. Bộ SMO dao động tự do đ−ợc nối với một bộ dao động chuẩn và đ−ợc nối với tải qua mạch vòng Tín hiệu đồng bộ này thay đổi biên độ, tần số và pha của tín hiệu đi đến tải D−ới tác động của tín hiệu đồng bộ, biên độ của điện áp dao động biến đổi phụ 59
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO thuộc vào điểm làm việc, vào hệ số khuếch đại đồng bộ và vào hiệu tần số giữa bộ dao động tự do với nguồn đồng bộ. Nh−ng Kurokawa đã chỉ ra rằng tạp điều biên sẽ không thay đổi với ph−ơng pháp ổn định này. Vì vậy nếu muốn có bộ SMO ổn định cả pha và biên độ thì phải kết hợp cả hai ph−ơng pháp trên. Máy phát đồng bộ tải a 1 is b t 1 C c 1 3 t u t 3 1 3 a c t b 3 b 2 2 u 2 a 2 bộ tạo dao động Hình 3.3. Bộ dao động đồng bộ 3.5. ảnh h−ởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định Ng−ời ta đã tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh h−ởng của sự không ổn định của nguồn nuôi lên đầu ra của SMO. Sau khi làm thí nghiệm có thể thấy là tần số dao động phụ thuộc rất nhiều vào độ nhấp nhô của nguồn công suất nuôi [4]. Ví dụ một bộ điều chỉnh nguồn 10V có mức tạp khoảng 10àV trong dải tần rộng 10kHz (tức là tạp có độ lớn 10-6 so với mức điện áp 10V). Dĩ nhiên là dòng tạp chảy qua tải cũng có biên độ t−ơng đ−ơng. Bằng cách mắc nối tiếp với đầu ra mạch điều chỉnh nguồn NTTULIBmột điện trở rất nhỏ, và giả thiết rằng mạch đã đ−ợc thiết kế sao cho điện áp tạp ở tải là bằng 0, khi này dòng tạp sẽ là Vn/R. Nếu trong ví dụ này điện trở này là 1Ω thì dòng tạp sẽ là 10àA, giá trị rất bé. Ng−ời ta đã mạch làm sụt dòng để làm sụt dòng tạp xoay chiều trên xuống đất, khi đó sẽ không có dòng tạp chảy trên tải Ng−ời ta đã thiết kế đ−ợc các mạch là phẳng nguồn cho các linh kiện tiêu thụ dòng bé (hình 3. 4.a) và cho các linh kiện tiêu thụ dòng lớn (hình 3.4.b). Mạch điều chỉnh nguồn chuẩn 60
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO 15Ω +15V +15V từ mạch điều chỉnh nguồn LM317 IN OUT 1KΩ 1Ω 470Ω 100K 10K 10àF 2N4401 100K MPSD54 27K 8.2Ω 10àF 10k 2N4401 <1Ω (a) (b) Hình 3.4. Các mạch là phẳng nguồn cho bộ SMO 3.6. ảnh h−ởng thay đổi nhiệt độ và các ph−ơng pháp ổn định. Độ ổn định của SMO rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Các nhà thiết kế đã phát triển nhiều kỹ thuật hiệu quả để tăng độ ổn định của SMO lên cực đại Khi nhiệt độ thay đổi cả kích th−ớc bộ cộng h−ởng và các tham số của điốt đều bị biến đổi Cho đển nay đã có rất nhiều bài báo nghiên cứu tỉ mỉ các nguyên nhân vật lý và hiện t−ợng này. Các thay đổi này gây ra thay đổi tần số và công suất [4]. Đối với hoạt động của bộ SMO thì việc thay đổi tần số là bất lợi Hình 3.5 vẽ một sự thay đổi tần số điển hình theo hàm của nhiệt độ môi tr−ờng. ∆f(MHz) 200 150 NTTULIB 100 50 230 250 270 290 310 330 350 370 TOK Hình 3.5. ảnh h−ởng của thay đổi nhiệt độ lên tần số làm việc của bộ SMO 61
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải. Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng, sự thay đổi tần số dao động có thể đ−ợc biểu diễn bằng công thức sau: 1 ()α +α C + 2α C ∆f = − − f d C C C ∆T (3.11) 2 C + CC Trong đó αd là hệ số nhiệt độ của điện dung của điốt, trong đó αc là hệ số nhiệt của điện dung và điện cảm của mạch cộng h−ởng. ∆T là l−ợng thay đổi của nhiệt độ môi tr−ờng xung quanh. Từ công thức (11) có thể thấy có thể cải thiện độ ổn định tần số bằng nhiều cách. Ví dụ: sử dụng hốc cộng có hệ số phẩm chất cao (Cc >> Cd ), khi đó sự thay đổi tần số chủ yếu do mạch cộng h−ởng có hệ số nhiệt độ nhỏ quyết định, và trong thực tế αc>> αd .Trong hình 3. 6 có thể thấy sự thay đổi tần số phụ thuộc vào hệ số phẩm chất của hốc cộng h−ởng. Do SMO có hiệu suất thấp nên có thể đ−a hệ thống làm lạnh để tiêu tán công suất tổn hao (tổn hao này lớn hơn nhiều so với công suất RF). Ta có thể làm lạnh SMO bằng quạt khi đó sự thay đổi ∆T sẽ nhỏ. Bằng cách sử dụng điều khiển điện áp ta có thể giữ các tham số của điốt ở giá trị cố định khi nhiệt độ thay đổi . ∆f []KHz / O K ∆T 1000 NTTULIB 500 Q 200 400 600 Hình 3.6. ảnh h−ởng của hệ số phẩm chất đến sự biến đổi tần số khi nhiệt độ thay đổi 62