Page 1
1
4.8 Tính toaùn LNA
CHÖÔNG IV
NHIEÃU VAØ KHUYEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP (LNA)
4.1 Ñaët vaán ñeà
4.2 Nhieãu nhieät ( thermal noise).
4.3 Nhieãu baùn daãn (Transistor noise)
4.4 Maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu vaø tính toaùn
4.5 Tính toaùn nhieãu
4.6 Baùn daãn khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA
4.7 Nhieãu trong khuyeách ñaïi baùn daãn
Page 2
2
4.1 ÑAËT VAÁN ÑEÀ:
Nhieãu (Taïp aâm) laø tín hieäu khoâng mong muoán, xuaát hieän töø nhieàu nguoàn khaùc nhau, ( döôùi daïng ñieän aùp hay doøng ñieän ) cheøn vaøo tín hieäu höõu ích laøm giaûm chaát löôïng tín hieäu thu daãn ñeán sai leäch thoâng tin.
Nhieãu vaán ñeà raát quan troïng cuûa ñieän töû thoâng tin vaø xöû lyù tín hieäu .
Chaát löôïng thu cuûa heä thoáng ñieän töû thoâng tin ñaùnh giaù theo tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu ngoõ vaøo maùy thu.
Hay
Chæ söï töông quan ñoä maïnh cuûa tín hieäu so vôùi nhieãu. Neáu nhoû hôn giaù trò
aán ñònh ngöôõng, tín hieäu thu khoâng ñaït chaát löôïng, thoâng tin bò sai leäch .
Nhieãu coù theå ñöôïc chia thaønh 2 loaïi:
- Nhieãu ngoaøi: gaây ra bôûi moâi tröôøng truyeàn.
- Nhieãu trong (noäi): gaây ra do thieát bò thu.
SN
SN
N
S
N
S
P
PdB
N
S
P
P
N
S
lg10)(
)(
)(
nhieãucuûabìnhtrungsuaátcoâng
hieäutíncuûabìnhtrungsuaátcoâng
Page 3
3
1. Nhieãu ngoaøi:
a/ Nhieãu nhaân taïo: gaây ra bôûi caùc cô cheá tia löûa ñieän nhö: ñoäng cô ñieän, ñeøn huyønh quang, ñaùnh löûa ñoäng cô xe v.v… chuùng ñeán aêng ten thu theo caùch gioáng nhö tín hieäu voâ tuyeán. Nhieãu naøy xuaát hieän ngaãu nhieân ôû vuøng taàn soá döôùi 500MHz.
b/ Nhieãu khí quyeån: moät daïng nhieãu ngaãu nhieân gaây bôûi söï xaùo ñoäng baàu khí quyeån traùi ñaát, chuû yeáu do saám chôùp. Phoå cuûa noù ñöôïc xem nhö laø voâ haïn, nhöng coù maät ñoä tyû leä nghòch vôùi taàn soá do ñoù thöôøng chæ gaây aûnh höôûng trong vuøng taàn soá nhoû hôn 20MHz.
c/ Nhieãu vuõ truï: gaây ra bôûi böùc xaï maët trôøi, maët traêng, sao, thieân haø, v.v… Chuùng coù phoå töø 8MHz ñeán 1,5MHz. Thaät ra chuùng coù chöùa thaønh phaàn taàn soá thaáp hôn 8MHz, tuy nhieân caùc thaønh phaàn ñoù bò haáp thuï bôûi taàng ñieän ly cuûa traùi ñaát tröôùc khi ñeán maët ñaát.
2/ Nhieãu trong:
Nhieãu trong hay coøn goïi laø nhieãu noäi ñöôïc taïo ra bôûi chính maùy thu. Nhö vaäy ngoaøi söï hieän dieän cuûa nhieãu ngoaøi ôû ngoõ vaøo maùy thu, coøn coù nhieãu noäi qui veà ngoõ vaøo, gaây aûnh höôûng maïnh nhaát taïi taàng khuyeách ñaïi ñaàu tieân cuûa maùy thu ( RX) vì taïi nôi ñaây tín hieäu thu coù möùc nhoû nhaát treân neàn nhieãu lôùn nhaát do ñoù nhoû nhaát. Caùc taàng khuyeách ñaïi sau taàng ñoåi taàn cuõng taïo nhieãu nhöng ít aûnh höôûng so vôùi taàng ñaàu. Maùy thu phaûi ñöôïc thieát keá caån thaän vôùi ñaëc tính nhieãu thaáp. Taàng khuyeách ñaïi cao taàng nhieãu thaáp ngoõ vaøo RX coøn goïi laø khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA ( Low noise Amp).
Nhieãu noäi ngaãu nhieân trong maùy thu phaàn lôùn ôû daïng nhieãu nhieät, nhieãu shot, nhieãu 1/f, transit-time noise.
N
S
Page 4
4
Nhieãu ngaãu nhieân noùi chung, ñöôïc moâ taû baèng ñaëc tính thoáng keâ. Taïi moãi thôøi ñieåm, bieân ñoä nhieãu khoâng theå döï ñoaùn chính xaùc, nhöng coù theå dieãn ñaït qua haøm maät ñoä xaùc suaát.
Giaù trò trung bình bình phöông cuûa ñieän aùp hay doøng ñieän nhieãu ñöôïc dieãn taû nhö coâng suaát nhieãu. Ngoaøi ra nhieãu cuõng thöôøng bieåu dieãn döôùi daïng haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu ( W/Hz).
4.2 NHIEÃU NHIEÄT ( THERMAL NOISE ) Nhieãu nhieät gaây ra bôûi söï dòch chuyeån ngaãu nhieân cuûa caùc ñieän töû vaø ion trong caùc vaät daãn ñieän trôû. Noù ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt hieän bôûi J.B John Son naêm 1928 neân coøn goïi laø nhieãu Johnson. Nhieãu nhieät phaùt sinh ôû daïng ñieän aùp hay doøng ñieän phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, coù phoå traûi daøi voâ haïn neân coøn coù teân laø nhieãu traéng.
Coâng suaát nhieãu nhieät xaùc ñònh bôûi:
N=Pn=k.T.B
k - haèng soá Botlzmann 1,38.10-23 J/K.
T- Nhieät ñoä tuyeät ñoái ñieän trôû, tính baèng ñoä K ( X0C +2730)
B - Baêng thoâng heä thoáng ñang xeùt ( Hz) .
Coâng suaát nhieãu tyû leä vôùi baêng thoâng, do ñoù ñeå giaûm coâng suaát nhieãu caùc maùy thu caàn thieát keá sao cho coù baêng thoâng laø nhoû nhaát.
Xeùt nguoàn nhieãu gaây ra bôûi ñieän trôû R coù gaén taûi phoái hôïp RL.
Page 5
5
Khi ñoù ñieän aùp nhieãu en seõ chia ñoâi treân R vaø RL . Coâng suaát nhieãu treân ñieän trôû R seõ laø :
Ñieän aùp hieäu duïng nhieãu cuûa ñieän trôû R phaùt sinh nhieãu:
Ví duï: Tìm ñieän aùp nhieãu taïo ra bôûi ñieän trôû R=1M ôû nhieät ñoä phoøng 170 C treân baêng thoâng 1MHz
Giaûi:
Aùp duïng coâng thöùc :
Töø ví duï treân ta thaáy raèng moät von keá vôùi trôû khaùng ngoõ vaøo 1M coù baêng thoâng 1MHz seõ taïo ra moät ñieän aùp nhieãu 126V taïi ñaàu vaøo. Do vaäy moät tín hieäu khoaûng 500 V hoaëc nhoû hôn seõ ño khoâng chính xaùc baèng von keá coù baêng thoâng nhö treân nhöng trôû khaùng ngoõ vaøo chæ 50 vaø chæ gaây ra moät ñieän aùp nhieãu 0.9 V. Ñieàu naøy lyù giaûi taïi sao trôû khaùng thaáp laø ñieàu mong muoán ñoái vôùi caùc maïch nhieãu thaáp.
BTkR
EPN nnther ..
)2/( 2
RBTkRBTkE n ...4...4 2nE hay
VRBTkE n 12610.10)17273(10.38,1.4...4 6623
2nE
RfkTEn .4
Hình 4.1 Maïch töông ñöông
nguoàn nhieãu
R
RL
Page 6
6
Ví duï:
Moät boä khuyeách ñaïi hoaït ñoäng 270C coù baêng thoâng 4MHz, ñieän trôû ngoõ vaøo 100. Ñoä lôïi ñieän aùp 200; tính hieäu ngoõ vaøo hieäu duïng 5 V. Xaùc ñònh tín hieäu vaø nhieãu ôû ngoõ ra, giaû söû boû qua nhieãu ngoaøi.
Giaûi:
Möùc nhieãu ngoõ vaøo:
Möùc nhieãu ngoõ ra Eno =200.2,57=0,514mV
Möùc tín hieäu ngoõ ra V0=200.5=1mV
Tyû soá ñieän aùp tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra
Ñaây laø moät tyû soá khoù ñöôïc chaáp nhaän cho moät boä khuyeách ñaïi trong moät heä thoáng thoâng tin.
Bình phöông ñieän aùp nhieãu gaây bôûi hai ñieän trôû maéc noái tieáp
VRBTkEn 57,2100.10.4).27273.(10.38,1.4....4 623
95,1514,0
10 noE
V
).BR4k.T(REEE 212n
2n
2n 21
Page 7
7
Töông töï, ñieän aùp nhieãu bình phöông cuûa hai ñieän trôû maéc song songlaø:
Noùi chung nhieãu nhieät khoâng chòu aûnh höôûng bôûi doøng ñieän chaûy qua ñieän trôû (tröø ñieän trôû Carbon-thöôøng duøng trong thieát bò ñieän töû phoå thoâng nhö amply, ñieàu khieån ñieän töû, khoâng phuø hôïp vôùi phaàn cao taàn maùy thu). Doøng ñieän aûnh höôûng tôùi nhieãu ñöôïc taïo ra trong baùn daãn.
BRR
RRkTEn .
.4
21
212
R1
R2
BkTREn 121 4
BkTREn 222 4
R1+R2
22
2121
2 )(4 nnn EEBRRkTE
Page 8
8
4.3 NHIEÃU BAÙN DAÃN (TRANSITOR NOISE)
Moät nguoàn nhieãu ngaãu nhieân quan troïng caàn xeùt trong thieát keá maïch laø nhieãu cuûa caùc phaàn töû tích cöïc baùn daãn: diod, BJT, FET, IC,… goàm nhieàu taàn soá thaáp (excess noise), nhieãu taàn soá cao (Transit-time noise) vaø ñaëc bieät laø nhieãu shot.
b/Transit-time noise: xuaát hieän ôû vuøng taàn soá cao quanh taàn soá ngöôõng cuûa thieát bò baùn daãn,khi thôøi gian di chuyeån cuûa cuûa ñieän tích qua moái noái coù theå saùnh ñöôïc vôùi chu kyø cuûa tín hieäu, seõ coù moät ít ñieän tích khuyeách taùn ngöôïc trôû laïi nguoàn hoaëc Emitter. c/ Shot noise: gaây ra bôûi baûn chaát dòch chuyeån
cuûa doøng ñieän trong chaát baùn daãn. Caùc haït mang ñieän trong chaát baùn daãn khoâng di chuyeån thaønh doøng moät caùch lieân tuïc oån ñònh, ngay caû doøng DC bôûi vì khoaûng caùch maø chuùng di chuyeån phuï thuoäc moät caùch ngaãu nhieân vaøo ñöôøng chuyeån ñoäng. Khi coù doøng ñieän chaûy qua tieáp giaùp p.n phaân cöïc thuaän thì phaùt sinh doøng ñieän nhieãu shot:
a/ Excess noise: phaùt sinh bôûi khuyeát taät beà maët tinh theå baùn daãn. Ñoái vôùi BJT, FET xaûy ra ôû taàn soá döôùi 1KHz, haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu tyû leä nghòch vôùi taàn soá, tyû leä thuaän vôùi nhieät ñoä vaø doøng DC. Noù coøn goïi laø nhieãu Flicker hay nhieãu 1/f.
Page 9
9
q-ñieän tích ñieän töû 1,6.10-19C.IDC -doøng DC.B- baêng thoâng .
Moâ hình nhieãu shot khi thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän tích qua tieáp giaùp nhoû hôn chu kyø tín hieäu.
rd -ñieän trôû roäng tieáp giaùp phaân cöïc thuaän diod.DC
d Iq
kTr
.
BqIBqII DCDCn .2.2 2nI hay
inDC
d Iq
kTr
.
IDC
Hình 4.2 Moâ hình nhieãu shot
Page 10
10
Gioáng nhö nhieãu nhieät, nhieãu shot hoaøn toaøn ngaãu nhieân vaø coù maät ñoä phoå coâng suaát baèng phaúng traûi theo taàn soá. Ví duï: Xaùc ñònh doøng nhieãu vaø ñieän aùp nhieãu töông ñöông cuûa diod coù moâ hình treân. Cho IDC =1ma; B=10Mhz; t0 =170 C. Giaûi:
Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp
.6,56.2 nABqII DCn
VrI
maI
mV
qI
kTrr
dn
DCDCdJ
47,126.10.6,56.
(
2626
9
n
0
E
C)17 phoøngñoänhieät taïi
4.4 MAÄT ÑOÄ PHOÅ COÂNG SUAÁT NHIEÃU VAØ TÍNH TOAÙN
Ñeå tính toaùn nhieãu cuûa maïch, caàn xaùc ñònh nhieãu cuûa caùc thaønh phaàn maïch. Coâng suaát nhieãu cuûa caùc nguoàn nhieãu coäng laïi thaønh toång coâng suaát nhieãu cuûa maïch.
Page 11
11
Giaû söû Pn laø toång coâng suaát nhieãu coù ñöôïc trong baêng thoâng B. Ta coù: - coâng suaát nhieãu ôû baêng thoâng 1Hz coøn goïi laø maät ñoä phoå nhieãu. Khi xem xeùt nhieãu trong maïch coù phaàn töû baùn daãn, ñieän trôû ta seõ tính ñieän aùp nhieãu, doøng nhieãu, maät ñoä phoå nhieãu, coâng suaát nhieãu. Sau ñoù tính nhieãu vôùi baêng thoâng xem xeùt. Ví duï: Cho maïch sau ôû to =27oC.
Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:
Töông töï coù maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:
R-ñieän trôû gaây ra nhieãu nhieät.Maät ñoä phoå doøng nhieãu shot cuûa diot:
Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu shot do coù doøng ñieän chaûy qua rd:
DCn qIB
I2
2
2
2
2
22 )/(/
R
BEB
R
E
B
I nn
ther
n
)/(..4 22
HzVRTkB
En
kTB
P
B
NN n 0
Hình 4.3
BPF
Lyù töôûngV
R20k
Sif=100KHZ
rmsvolmeter
(W/Hz)
Page 12
12
shot
nd
dn
shot
n
B
Ir
B
rI
B
E
22
222
rj =rd -ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp diod.
Toång ñieän aùp nhieãu treân diod goàm:
Trong ñoù
dd rTher
nd
shot
n
rTher
n
shot
n
Total
n
B
Ir
B
E
B
E
B
E
B
E
,
22
2
,
222
Total
nd
nnd
Shot
nd
Ther
nd
Total
n
n
Ther
n
B
Irshot
B
Ither
B
Ir
B
Ir
B
Ir
B
E
RB
E
B
I
22
222
22
22
2
222
/
Giaû söû boä loïc thoâng giaûi BPF lyù töôûng coù baêng thoâng f, khi ñoù ñieän aùp nhieãu toång coäng trong baêng thoâng xem xeùt:
BshotB
Ether
B
EE nnn .
22
Page 13
13
Ví duï: Xaùc ñònh ñieän aùp nhieãu ôû hình 4.3.
Giaûi:
Ñieän trôû R gaây ra maät ñoä phoå (ñieän aùp ) nhieãu nhieät:
Nhieãu nhieät taïo bôûi diod raát nhoû so vôùi nhieãu nhieät gaây ra bôûi ñieän trôû R = 20K.
Hz
VRTk
B
En2
163232
10.32,310.20)27273(10.18,3.4..4
V
Hình 4.4 Moâ hình nhieãu töông ñöông maïch hình 4.3
BPF
20KΩ
rdIn
En
Page 14
14
Doøng moät chieàu qua diod
HzAqI
mak
vI
DC
DC
/10.488,110.465,0.10.6,1.2.2
.465,020
7.010
222319
BI
:shot nhieãu ñieän doøng phoåñoäMaät 2n
ther
nd
ther
n
B
Ir
B
E
22
2
Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp p -n:
Maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät gaây ra bôûi ñieän trôû R=20K.
Ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa diod
(do doøng nhieãu nhieät gaây ra bôûi R)
Trong ñoù:
mAI
mVr
DCd
26
HzAR
BE
B
I n
ther
n /10.3,8)10.20(
10.32,3)/( 22323
16
2
22
Page 15
15
HzVB
E
B
E
B
E
HzVB
Ir
B
E
HzVB
E
ma
mVr
shot
n
ther
n
total
n
shot
nd
shot
n
ther
n
d
/10.650,410.026,0
/10.65,4)10.488,1()9,55(
/10.6,2)10.3,8()9,55(
.9,55465,0
26
21919222
2192222
22
2212522
diod. treân nhieãu aùp ñieän ñoämaät Toång
shot. nhieãu aùp ñieän neân taïo diod cuûashot nhieãu Doøng
ÔÛ ñaây nhieãu shot maïnh hôn nhieàu nhieãu nhieät. Qua boä loïc BPF. Toång ñieän aùp nhieãu ngoõ ra:
.216,010.16,210.10.676,4. 751922
vrmsVrmsBB
E
B
EE
shot
n
ther
nn
Page 16
16
1/Heä soá nhieãu (Noise Figure)
Tyû soá theå hieän thaønh phaàn nhieãu taïi baát kyø moät ñieåm naøo ñoù trong heä thoáng, nhöng khoâng laø moät thoâng soá ñeå chæ ra coù bao nhieâu nhieãu ñöôïc coäng theâm vaøo treân ñöôøng truyeàn tín hieäu, chaúng haïn töø ngoõ vaøo tôùi ngoõ ra boä khuyeách ñaïi. Nhieãu ñöôïc coäng theâm ôû ñaây laø nhieãu nhieät, nhieãu baùn daãn. Heä soá nhieãu (Noise Figure-NF) laø ñaïi löôïng ñaëc tröng cho vaán ñeà naøy vaø ñöôïc ñònh nghóa nhö sau:
(PSi /PNi ) tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu taïi ngoõ vaøo.
(PSo /PNo) tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu taïi ngoõ ra.
).(/
/
/
/lg10lg10)(
nhieãu soátyû Ratio Noise
NoSo
NiSi
NoSo
NiSi
dB
PP
PPNR
PP
PPNRNF
N
S
Boä khuyeách ñaïi lyù töôûng coù .;1 odBNFNRP
P
P
P
No
So
Ni
Si
Trong thöïc teá khoâng bao giôø coù nhö vaäy NF do nhaø cheá taïo cung caáp.
NF < 3dB laø toát NF<1,2dB -raát toát.
4.5 TÍNH TOAÙN NHIEÃU
Page 17
17
Ví duï: Boä khuyeách ñaïi duøng BJT coù taïi ngoõ vaøo laø 10 vaø taïi ngoõ ra laø 5. Tính NR vaø NF.
Giaûi:
2. Aûnh höoûng cuûa trôû khaùng ñoái vôùi nhieãu
Theo lyù thuyeát trôû khaùng khoâng gaây ra nhieãu tôùi heä thoáng. Ñieàu naøy chæ ñuùng vôùi caùc tuï ñieän vaø cuoän caûm lyù töôûng, thöïc teá caùc phaàn töû khaùng naøy luoân coù thaønh phaàn ñieän trôû toån hao maø chính noù seõ gaây ra nhieãu. Nhöng nhieãu gaây ra bôûi caùc thaønh phaàn toån hao naøy coù aûnh höôûng khoâng ñaùng keå tôùi heä thoáng so vôùi nhieãu nhieät vaø nhieãu shot, do vaäy chuùng thöôøng ñöôïc boû qua.
.32lg10lg10
.25
10
/
/
dBNRNF
PP
PPNR
NoSo
NiSi
N
S
Aûnh höôûng cuûa caùc maïch coù tính khaùng RC, LC, RLC, RL laø baêng thoâng nhieãu. Giaû söû maïch coù baêng thoâng -3dB laø baêng thoâng B thì baêng thoâng töông ñöông ñöôïc duøng ñeå tính nhieãu ñöôïc tính: Bn .
2
B
Vaäy baêng thoâng nhieãu luoân lôùn hôn baêng thoâng heä thoáng, töùc laø nhieãu vaãn qua heä thoáng ôû döôùi taàn soá caét-3dB.
Page 18
18
3.Nhieãu do nhieàu taàn khuyeách ñaïi gheùp lieân tieáp
Giaû söû bieát tyû soá nhieãu NRn vaø heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát Apn cuûa n taàng khuyeách ñaïi gheùp noái tieáp.Tyû soá nhieãu cuûa heä thoáng ñöôïc tính theo coâng thöùc Friss:
Ví duï: Cho 2 taàng khuyeách ñaïi vôùi thoâng soá sau:
12121
3
1
21 ...
1...
11
pnpp
n
ppp AAA
NR
AA
NR
A
NRNRNR
NF2 = 6dB
AP2 =10dB
NF1 =2dB
AP1 =12dBTính NR vaø NF heä thoáng.
.5,2779,1lg10
779,19,15
1459,1
1010;46
9,1512;59,12
2222
1111
dBNF
NR
AdBANRdBNF
AdBANRdBNF
pp
pp
Giaûi:
Page 19
19
4.Nhieät ñoä nhieãu töông ñöông
Thoâng thöôøng NR naèm giöõa 1 vaø 10. Ñeå môû roäng thang ño, bieåu dieãn tyû soá nhieãu qua nhieät ñoä nhieãu töông ñöông Teq raát thuaän tieän tính toaùn coâng suaát nhieãu cho caùc thieát bò microwave,thoâng tin veä tinh v.v…
Teq=T(NR-1)
T-nhieät ñoä tuyeät ñoái = 2730 + t0 moâi tröôøng.
Nhö vaäy vôùi möùc nhieãu thaáp thì Teq bieán ñoåi lôùn hôn NF, deã so saùnh vaø deã hieåu hôn NF, neân thöôøng ñöôïc duøng .
Ví duï : NF =1dB => NR =100,1 =1,26 => ôû nhieät ñoä phoøng 17oC coù Teq=75oK. Töôïng töï vôùi NF =1,6dB => NR =100,16 =1,44 => Teq 1280K.
Nhieãu ñöôïc xem xeùt nhieàu ôû taàn soá Vi ba do taùc ñoäng maïnh ôû taàn soá cao nhieàu hôn, trong ñoù nhieãu noäi ñoùng vai troø quyeát ñònh giôùi haïn khaû naêng (ñoä nhaïy) cuûa caùc heä thoáng thoâng tin hieän ñaïi).
Möùc nhieãu trong heä thoáng tyû leä thuaän vôùi nhieät ñoä, baêng thoâng, doøng chaûy trong maïch, ñoä lôïi, ñieän trôû. Nhieãu thaáp khi maïch coù ñoä lôïi nhoû, doøng DC vaø ñieän trôû nhoû, nhieät ñoä thaáp.
Möùc tín hieäu (ñieän aùp hay coâng suaát) nhoû nhaát ngoõ vaøo maùy thu öùng vôùi tyû soá coâng suaát tín hieäu treân nhieãu cho tröôùc ngoõ ra goïi laø ñoä nhaïy.
Page 20
20
4.6 BAÙN DAÃN KHUYEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP.
Boä khuyeách ñaïi cao taàn ( RF Amp - LNA ) naèm ôû ngoõ vaøo maùy thu coù nhieäm vuï: phoái hôïp trôû khaùng vôùi anten, tieàn choïn loïc tín hieäu cao taàn, loaïi nhieãu taàn soá aûnh (fImage=fc+2fIF), khuyeách ñaïi nhieãu thaáp tín hieäu nhoû ngoõ vaøo maùy thu tôùi möùc caàn thieát ñoåi taàn, taêng ñoä nhaïy maùy thu.
LNA thöôøng coù töø 1 ñeán 3 taàng khuyeách ñaïi tuyeán tính coù ñieàu höôûng choïn loïc taàn soá - baêng thoâng tín hieäu mong muoán vaø AGC (Automatic Gain Control). Moãi taàng cung caáp ñoä lôïi töø 1030 dB.
Töø coâng suaát Friss:
Caùc linh kieän tích cöïc nhieãu thaáp ñöôïc duøng laø BJT, JFET MOSFET, GaAsFET, MESFET, HEMT ( High electron mobility transistor).
....
11
21
3
1
21
ppp AA
NR
A
NRNRNR
Ta thaáy taàng ñaàu tieân quan troïng nhaát, caàn coù heä soá hieãu thaáp vaø heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát cao, daãn ñeán coâng suaát tieâu taùn taêng, nhieãu taêng. Do ñoù phaûi thoûa hieäp trong thieát keá LNA sao cho taàng ñaàu coù NF1 cöïc tieåu vôùi Ap1 ñuû lôùn, taàng thöù 2 coù NF2 vöøa phaûi vaø Ap2 lôùn.
Page 21
21
Trong RFamp duøng BJT, nguoàn nhieãu noäi laø shot noise cuûa tieáp giaùp Emitter - Bazô vaø Bazô - collector, nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû Bazô vaø ñieän trôû phaân cöïc.
Baùn daãn cao taàn nhieãu thaáp ( Low noise transistor ) ñöôïc cheá taïo baèng coâng ngheä ñaëc bieät nhieàu tieáp giaùp emitter, giaûm ñieän trôû cöïc Bazô, taêng ñoä lôïi . Tuy nhieân taàn soá taêng thì NF cuõng taêng 6dB/octave.
2
108
46
5 10 15
2468
1012
Ic
ma
NFdB
NFdB
0,1f f fc 10 f
Hình 4.5 Ñoà thò NF cuûa BJT theo taàn soá vaø doøng phaân cöïc .
Page 22
22
Moãi BJT nhieãu thaáp coù trôû khaùng toái öu phuï thuoäc vaøo taàn soá cho bôûi nhaø saûn xuaát. JFET coù trôû khaùng vaøo vaø ra lôùn, NF raát thaáp, ñaùp tuyeán tuyeán tính taàn soá hoaït ñoäng cao,ñoä khuyeách ñaïi lôùn. Thöôøng duøng laøm LNA taàng ñaàu maùy thu cao caáp (thoâng tin veä tinh, viba). MOSFET hai cöïc cöûa coù NF cao hôn JFET moät ít do coù diod zener baûo veä tónh ñieän ngoõ vaøo. Caùc ñaëc ñieåm khaùc gioáng JFET nhöng troäi hôn ôû choã thuaän tieän thieát keá maïch khuyeách ñaïi coù AGC nhôø cöïc cöûa thöù hai. GaAS FET ñöôïc öùng duïng nhieàu ôû taàn soá viba(>1GHz), caùc ñieän tích chuyeån ñoäng trong GaAS nhanh hôn nhieàu so vôùi BJT cuøng kích thöôùc, ñaùp öùng taàn soá cao toát, nhieãu ñaëc tröng bôûi NF nhoû (>1dB), ñoä khuyeách ñaïi lôùn,tuyeán tính. Coâng ngheä cheá taïo GaASFET nhoû hôn BJT. GaASFET öùng duïng nhieàu trong coâng ngheä MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), ñoåi A/D toác ñoä cao v.v… Moät coâng ngheä höùa heïn khaùc cho LNA ôû taàn soá viba laø SiGeHBT (Silicon-Gemanium heterojunction bipolar transistor) hoaït ñoäng vôùi ñieän aùp thaáp, coâng suaát tieâu taùn nhoû, tích hôïp cao, giaù reû taàn soá laøm vieäc cao. MESFET (Metal-Semiconductor FET) laø JFET treân neàn N-GaAS vôùi cöïc cöûa daïng diod shottky ñaùp öùng nhanh, nhieãu thaáp, heä soá khuyeách ñaïi lôùn, taàn soá hoaït ñoäng cao.
Page 23
23
Moät daïng khaùc cuûa JFET laø HEMT(High electron Mobility transistor) coù caáu truùc maøng moûng, nhieãu thaáp ôû taàn soá raát cao NF=1,8dB ôû 40GHz vaø 2,6dB ôû 62GHz,Ap =11. Hieän nay HEMT coù fT =362GHZ. Söï löïa choïn linh kieän nhieãu thaáp cho LNA tuyø thuoäc vaøo ñieàu kieän cuï theå, dung hoaø trong muïc ñích söû duïng. Ví duï: 1/Neáu choïn heä soá nhieãu cöïc tieåu thì khoâng theå ñaït ñoä lôïi coâng suaát lôùn nhaát. 2/Choïn ñoä lôïi coâng suaát lôùn nhaát thì heä soá nhieãu seõ khoâng cöïc tieåu. 3/Khuyeách ñaïi daûi roäng thì ñoä lôïi cöïc ñaïi khoâng trôû neân quan troïng.
Ln RIEn
.220 22
Xeùt moâ hình baùn daãn khuyeách ñaïi vôùi caùc nguoàn nhieãu.
- Maät ñoä doøng ñieän nhieãu shot do doøng phaân cöïc ngoõ ra.
- Maät ñoä doøng ñieän nhieãu shot do doøng phaân cöïc ngoõ vaøo.
Neáu trôû khaùng ra Z0 baùn daãn raát lôùn hôn RL, maät ñoä ñieän aùp nhieãu ngoõ ra do laø:
2
2nI
2
1nI
2nI
4.7 Nhieãu trong khuyeách ñaïi baùn daãn
Page 24
24
Ñeå tieän vieäc xem xeùt, caàn qui caùc nguoàn nhieãu ngoõ vaøo. Ñoä khuyeách ñaïi ñieän aùp (vôùi RL << z0 baùn daãn):
Lmi
RgV
V.0
Vcc
RL
Ln kTRE 42
2
2nI
2
1nIVi
Hình 4.6
V0
Page 25
25
Vi
RL
Vce
2
1nE
2nI
2
2nE
Hình 4.7
Nguoàn doøng nhieàu ngoõ ra thay theá bôûi nguoàn ñieän aùp nhieãu ngoõ vaøo:
Nguoàn nhieãu ñöôïc dieãn giaûi laø nguoàn nhieãu nhieät cuûa ñieän daãn gm. Töông töï nhieãu nhieät cuûa taûi RL coù theå bieåu dieãn nhö nguoàn nhieãu maéc noái tieáp ngoõ vaøo.
Maïch khuyeách ñaïi khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu qui veà ngoõ vaøo nhö sau:
2
2
22
222 22
2
m
n
Lm
Lnn g
I
Rg
RIE
2
2nE
222 41
Lm
Ln
Rg
kTRE
21n
E
Page 26
26
Nhieãu BJT : Veà nguyeân lyù, BJT coù hai nguoàn nhieãu shot vaø moät nguoàn nhieãu nhieät taïo ra bôûi ñieän trôû Bazô rb’ .
Ôû taàn soá f > f , doøng nhieãu taêng theo taàn soá:
Nhieãu FET:
Nguoàn nhieãu cuûa FET cho bôûi:
/HzA
/HzA
/HzV
2
2
2
Cn
Bn
bn
qII
qII
kTrE
2
2
4
2
2
'2
2
1
)1(2
222
)(
Tnn f
fII
f
/HzA
/HzV
2
2
gn
mn
qII
g
kTE
2
8,2
2
2
gm -ñieän daãn töông hoå; Ig -doøng ræ cöïc cöûa.
Page 27
27
Nguoàn nhieãu cuûa MOSFET vaø JFET töông töï nhöng boû qua Ig ôû MOSFET. Doøng nhieãu cuõng taêng theo taàn soá ôû khoaûng taàn soá raát cao. Moâ hình nhieãu baùn daãn duøng ñeå thieát keá LNA.
Tyû soá nhieãu cuûa maïch phuï thuoäc ñieän trôû nguoàn tín hieäu. Giaù trò RS toái öu ñeå coù NR cöïc tieåu xaùc ñònh töø coâng thöùc:
Neáu In lôùn ,En nhoû thì Rs caàn nhoû. Neáu In nhoû (FET) caàn Rs lôùn ñeå coù ñöôïc NR nhoû nhaát.
Ví duï: Cho A 741 coù caùc thoâng soá ôû ví duï treân.Tìm NFmin .
Giaûi:
n
ns
n
nn
s
I
ER
R
EI
kTdR
dNR
Vaäy
04
12
22
dBNRNF
NR
KRs
4,6lg10
35,410.30.290.10.37,1.4
10.9.10.910.81
3010.9
10.8
minmin
323
82516
min
25
16
öutoái
Page 28
28
4.8 Tính toaùn LNA.
1.Moâ taû maïch nhieãu thaáp
Maïch khuyeách ñaïi tuyeán tính coù nhieãu ñöôïc bieåu dieãn bôûi maïch khuyeách ñaïi khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu En,In qui veà ngoõ vaøo.
Tröôøng hôïp duøng BJT: nguoàn nhieãu shot In do doøng phaân cöïc ngoõ vaøo, nguoàn ñieän aùp nhieãu En gaây doøng phaân cöïc ngoõ ra vaø nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû taûi. En chính laø ñieän aùp nhieãu hieäu duïng xuaát hieän ôû ngoõ vaøo ngaén maïch cuûa boä khuyeách ñaïi khoâng nhieãu.2.NR cuûa maïch Tyû soá nhieãu (noise ratio) cuûa maïch trong baêng thoâng 1 Hz.
Hình 4.8
RS
ES
E2n
I2n
4kTRS
+-
+
-
V0
Page 29
29
s
snn
kTR
RIENR
4
.1
222
Ví duï: A 741 coù maät ñoä ñieän aùp nhieãu162 10.8 nE V2 / Hz taïi 1KHz.
Maät ñoä doøng nhieãu HzAIn /10.9 2252 Neáu trôû khaùng nguoàn Rs=10K, ta coù tyû soá nhieãu cuûa boä khuyeách ñaïi A 741 ôû nhieät ñoä 170C laø:
dBNFNR 2,86,610.290.10.37,1.4
10.9,010.81
423
1616
3. Thieát keá nhieãu thaáp:
Tieâu chuaån toát nhaát ñeå thieát keá nhieãu thaáp laø tyû soá coâng suaát tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra cuûa maïch. Vieäc choïn ñieän trôû nguoàn toái öu ñeå coù heä soá nhieãu cöïc tieåu neân thaän troïng.
outN
S
Ñeå coù Max khoâng nhaát thieát phaûi coù NF nhoû nhaát. Thay ñoåi ñieän trôû nguoàn
tín hieäu, inN
S
tyû soá cuõng thay ñoåi ôû ngoõ vaøo.
Page 30
30
Xeùt maïch töông ñöông nguoàn nhieãu ngoõ vaøo khuyeách ñaïi: Es vaø Rs laø nguoàn ñieän aùp vaø ñieän trôû nguoàn tín hieäu vaøo. Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ vaøo trong baêng thoâng 1 HZ:
ssnn
s
kTRRIE
E
N
S
4. 222
2
Es
Rs
sn kTRE 42
22snRI
2nE
Hình 4.9
Page 31
31
Roõ raøng, neáu Rs nhoû thì N
Sseõ lôùn, tuy nhieân khoâng ñaït ñöôïc NF cöïc tieåu töùc laø
khoâng coù ñöôïcN
Slôùn nhaát vôùi NF nhoû nhaát.
Moät tröôøng hôïp quan troïng thöôøng gaëp laø gheùp bieán aùp giöõa nguoàn tín hieäu vôùi ngoõ vaøo khuyeách ñaïi:
R’s= n2.Rs
n - tyû soá voøng bieán aùp; R’s - trôû khaùng phaûn aûnh cuûa nguoàn Rs.Ñieän aùp tín hieäu: E’n= n.Es
Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra bieán aùp:ssnn
s
out RkTRnRIE
En
N
S
.4.
.2222
22
outN
S
Toác ñoä thay ñoåi cuûalaø haøm cuûa n cho bôûi:
ssnn
ssnssnnsout
RkTnRnIE
RkTnRInRkTnRnIEEn
dn
NSd
.4.
)424..(.2)/(22422
222422422
Baèng khoâng vôùi:
n
ns
n
ns In
ERhay
I
ERn
.22
Page 32
32
Töùc laø Es khoâng phaûi laø haøm cuûa Rs. Ñaây cuõng laø giaù trò ñieän trôû nguoàn ñaït ñöôïc NF cöïc tieåu.Nhö vaäy gheùp bieán aùp ñöôïc duøng phoái hôïp trôû khaùng toái öu giöõa nguoàn vaø ngoõ vaøo boä
khuyeách ñaïi. Tyû soá voøng daây n hôïp lyù cho pheùp ñaït NF cöïc tieåu vaø
outN
S
cöïc ñaïi
4. Khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA.
Vi
Rs
C1C2
Rb
N1=n1
N2=n2
S D
GRL
VDD
+-
Hình 4.10
Page 33
33
Töø caùc phaân tích tröôùc, xeùt LNA duøng trôû khaùng vaøo nhoû,caàn phoái hôïp vôùi ñieän trôû nguoàn Rs .Rb taïo phaân cöïc ôû vuøng tuyeán tính. C1 vaø C2 coi nhö ngaén maïch ôû taàn soá hoaït ñoäng. Maïch vaøo töông ñöông cuûa taàng khuyeách ñaïi coù daïng:
N1=n1
N2=n2
RsZ’s
G
S
Hình 4.112
1
21'
n
nnRz ss Trôû khaùng vaøo töông ñöông cuûa FET:
Ñeå tyû soá nhieãu cöïc tieåu vaø tyû soá tín hieäu treân nhieãu cöïc ñaïi thì tyû soá voøng daây caàn coù sao cho.
En vaø In ñieän aùp vaø doøng ñieän nhieãu cuûa baùn daãn.
nn
ns R
I
E
n
nnR
2
1
21
Page 34
34
Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû cuûa khuyeách ñaïi duøng FET ôû vuøng taàn soá giöõa, boû qua ñieän trôû rd.
Rs N1=n1
N2=n2
VG
Hình 4.12
+-Vi
VS
gmVSG
RLZi
Trôû khaùng vaøo cuûa taàng khuyeách ñaïi.
1
1
2
1
2
1
1
n
ng
Vnn
g
V
Vg
VZ m
sm
s
SGm
si
Page 35
35
Töông töï ôû sô ñoà cöïc coång chung:
12
1
21
2
1
21'
n
nngZ
n
nnRZ miss vaø
Vs
Vi
Rs
C1 C2
Rb RL
VDD
+- Vi
Rs
Zin1
n2
RL
Z’S
Hình 4.13
Page 36
36
5.Toái öu doøng tieâu cöïc BJT nhieãu thaáp.
222
2
''' 12
444 sn
Ln
ebbbsi RI
R
kTI
rrkTrkTRN
)/(242
244
22
2'
2
2'
'HzV
rqIrqV
I
qV
RqI
kTrkTRN
bcbT
c
T
sc
bsi
Toång maät ñoä nhieãu ngoõ vaøo taàng khuyeách ñaïi maéc Emitter chung:
Trong ñoù rb’e , In1 , In2 laø haøm cuûa doøng phaân cöïc ra Ic do ñoù coù theå hieäu chænh doøng phaân cöïc sao choheä soá nhieãu nhoû nhaát vaø lôùn nhaát. Giaû söû nhieãu do ñieän trôû taûi RL gaây ra nhoû hôn so vôùi caùc thaønh phaàn khaùc, ta coù:
Vieát laïi nhieãu ngoõ vaøo:
maI
mV
I
V
g
r
qIII
qqII
cc
T
m
b
cnc
Bn
261
2;22
'
22221
vaø
N
S
Page 37
37
Bieán thieân cuûa nhieãu theo doøng phaân cöïc:
Suy ra doøng phaân cöïc toái öu ñeå coù nhieãu cöïc tieåu:
21
22' sb
Tc
Rr
VI
; Rs ñieän trôû nguoàn tín hieäu
2
2
2
2'
2 222
c
Tbs
c
i
I
qVqrqR
dI
dN
Caùc daïng maïch LNA:68K359
A
ZA 7550p 20 39 39 470 .001
39
.1 .1
+6vVcc47
11
Hình 4.14 LNA duøng FET fc=94MHz cuûa maùy thu FM.
Page 38
38
51
3,3n
3,3
18
BFY 90
47n
15
100
3,3n
22k
270
20v/5maVo
Av=8dBB=(470800)MHZ
.
.01
51
16nH 93nH
.01300
.01
15024k
550
BFR91
13,5vVcc
Av=10dB; NF=1,5dBB=(10600)MHz
Hình 4.15 K.Ñaïi LNA (Booster) cho TV.
Hình 4.16 2 taàng LNA ngoõ vaøo maùy thu veä tinh
7812
TO LNB
2x BFR91
TO Mix
Vcc
+15v
TO LNB
Vcc
+15v 7812
C 2570C 2570
TO Mix
Page 39
39
56k
BF 964
AGC + VDD
Hình 4.17 RF amp duøng MOSFET coù AGC.
A
+12v
Hình 4.18 Phaàn cao taàn maùy thu duøng MOSFET hai cöïc cöûa
2/11
1n
47k
2/11
181n
2/11
1n
1,5
390
47k
6,8k
100k
2,2k
1001n
1n
OSCMix
10/30
10/30 100
47k56k 1n
5n
RF amp 3 x BF981
IF amp
10.7
1n
Vcc
144MHz
56
Page 40
40
A
BFR 91
TO AGC
M
To Mix
+ 9v
Vcc
Hình 4.20 2 taàng LNA cuûa heä thoáng chuyeån tieáp truyeàn hình keânh 7 TP.HCM
RF amp 2SK 212 Mix C 2839
A
+ Vcc
10.7
osc
Hình 4.19 RF amp vaø mix duøng FET, BJT ñieän thoaïi Cordless Telephone
Page 41
41
Power Down
dPV
20p LPackage
LB
2nH
100
LC CCLPackage 8p
Vcc
Hình 4.22 Vi maïch LNA ñieän thoaïi di ñoäng 1,9 PHS MMIC GaAs – 1,9 GHz
Hình 4.21 Maïch LNA duøng MOSFET coù ñieàu höôûng ñieän töû.
To Mix
NTE 22240673
VT
+VDD
A
Page 42
42
Hình 4.23 Vi maïch 2 taàng LNA NE/.SA 5200; f = 0 1200 MHz.
Power
down
6
7
Rf
RC
8
RE
Rf
RC
2
4
RE
3
dPV Vcc5 1
Zi C1
- VG
RFC
L1
C2C3
L4
C4RFC
VDD
L2 L3
Hình 4.24 Khuyeách ñaïi LNA 11 12 GHz ngoõ vaøo LNB – TVRO duøng FET HP 2101 - 2102