Bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF) là không thể thiếu đối với bất kỳ hệ thống không dây nào. Các bộ khuếch đại RF hoạt động như bộ khuếch đại công suất trong các máy phát hoặc LNA trong các máy thu. Khi việc truyền thông không dây gặp phải tiếng ồn quá mức, chủ yếu được tạo ra qua sự giao thoa của sóng điện từ trong không khí, LNA có thể khắc phục vấn đề này bằng cách khuếch đại tín hiệu công suất rất thấp với độ méo thêm tối thiểu tại đầu vào của bộ thu. Tuy nhiên, tiếng ồn xuất hiện ở đầu vào của bộ khuếch đại cũng có thể gây ra một số khuếch đại. Trong thiết kế, các kỹ sư nên xử lý và giảm thiểu tiếng ồn bổ sung. Ở phần đầu, LNA được đặt sau bộ lọc băng thông để cải thiện khả năng chọn lọc.‍

Lý thuyết‍

Trước khi bắt đầu quá trình thiết kế, điều quan trọng là phải xác định các thông số kỹ thuật cho LNA của bạn. Điều này bao gồm các thông số như dải tần số, gain, chỉ số nhiễu, trở kháng vào/ra, và mức tiêu thụ điện năng. Những thông số kỹ thuật này sẽ hướng dẫn quá trình thiết kế và đảm bảo rằng LNA đáp ứng các tiêu chí hiệu suất yêu cầu.
Dải tần số: Xác định băng tần số mà LNA sẽ hoạt động.

Gain: Xác định gain mong muốn để khuếch đại tín hiệu yếu đến mức có thể sử dụng được.

Hệ số nhiễu: Xác định hệ số nhiễu tối đa cho phép để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Trở kháng đầu vào/đầu ra: Định nghĩa trở kháng đầu vào và đầu ra để phù hợp với các thành phần khác trong hệ thống.

Tiêu thụ điện: Đặt giới hạn cho tiêu thụ điện để đảm bảo hiệu quả.

Quy trình ADS:

• Khởi động ADS và tạo một dự án mới.
• Xác định các thông số kỹ thuật cho LNA của bạn, bao gồm dải tần số, độ lợi, chỉ số nhiễu, trở kháng vào/ra, và mức tiêu thụ điện năng.

Thiết kế

Những thành phần quan trọng mà chúng ta phải để ý tới khi thiết kế 1 bộ khuếch đại tiếng ồn thấp bao gồm:

• Dải tần số hoạt động
• Gain
• Chỉ số nhiễu
• Trở kháng đầu ra/vào
• Công suất tiêu thụ

Chọn transistor phù hợp là rất quan trọng khi thiết kế bộ khuếch đại tiếng ồn thấp. Các lựa chọn phổ biến bao gồm transistor hiệu ứng trường (FET) như GaAs MESFET hoặc transistor CMOS. Transistor nên có độ ồn thấp, độ lợi cao và các đặc tính tần số phù hợp cho ứng dụng.

Hãy chọn một transistor dựa trên:
Công nghệ: Chọn giữa FETs hoặc transistor CMOS dựa trên yêu cầu hiệu suất và ràng buộc chế tạo. Đặc điểm tiếng ồn: Tìm kiếm các transistor có chỉ số tiếng ồn thấp và độ lợi đủ cho dải tần mong muốn. Yêu cầu phân cực: Xem xét sơ đồ phân cực cần thiết cho transistor đã chọn.
Quy trình ADS:

• Sử dụng các thư viện linh kiện tích hợp trong ADS để chọn mô hình transistor phù hợp.
• Nhập mô hình transistor vào dự án của bạn.

Hệ số nhiễu định lượng mức độ suy giảm tỷ lệ tín hiệu của tín hiệu đầu vào do bộ khuếch đại gây ra. Hệ số nhiễu của một LNA có thể được tính bằng phương trình sau:

Trong đó:

NF là hệ số nhiễu

F là phần tử nhiễu của transistor

Ga là gain của bộ khuếch đại

Gain của LNA là một tham số quan trọng khác và thường được chỉ định bằng decibel. (dB). Gain có thể được tính bằng phương trình sau:

Trong đó:

G là gain

Pout là công suất đầu ra

Pin là công suất đầu vào

Việc phân cực đúng cách là cần thiết để đạt hiệu suất tối ưu của transistor. Các sơ đồ phân cực phổ biến bao gồm phân cực điện áp và phân cực dòng điện. Chúng ta nên chọn các sơ đồ phân cực để đảm bảo độ ổn định và tính tuyến tính trong khi giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng.
Chọn một sơ đồ phân cực dựa trên:

• Yêu cầu về transistor: đảm bảo tính ổn định và tuyến tính của transistor.
• Tiêu thụ điện năng: Giảm thiểu tiêu thụ điện năng trong khi duy trì hiệu suất mong muốn.

Quy trình ADS:

• Tạo một sơ đồ bố trí mới.
• Đặt mô hình transistor đã chọn vào sơ đồ.
• Thêm các linh kiện phân cực như điện trở hoặc nguồn điện để phân cực transistor đúng cách.

Mạch ghép nối được sử dụng để ghép nối trở kháng của transistor với trở kháng vào và ra của LNA. Những mạng lưới này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các thành phần thụ động như tụ điện và cuộn cảm. Để thiết kế mạch ghép nối, chúng ta cần dùng các kỹ thuật ghép nối trở kháng để tối đa hóa việc truyền công suất, giảm thiểu phản xạ và còn cần để ý tới:

Trở kháng đầu vào và đầu ra: Khớp với trở kháng nguồn và tải để truyền công suất tối đa. Phản hồi tần số: Thiết kế mạng để duy trì phản hồi tần số mong muốn và giảm thiểu phản xạ.

Quy trình ADS:

• Thiết kế mạng khớp đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng các công cụ tích hợp sẵn của ADS hoặc bằng cách đặt thủ công các linh kiện như tụ điện và cuộn cảm.
• Sử dụng biểu đồ Smith và các kỹ thuật điều chỉnh trở kháng để đảm bảo điều chỉnh trở kháng giữa transistor và nguồn/tải.

Khi mạch LNA được thiết kế, việc mô phỏng hiệu suất của nó bằng các công cụ phần mềm như SPICE là rất cần thiết. Mô phỏng có thể giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu suất tốt hơn. Các tham số như độ lợi, chỉ số nhiễu và độ ổn định nên được xác minh thông qua mô phỏng.

Sử dụng các công cụ mô phỏng như SPICE để:

Xác minh hiệu suất: Mô phỏng độ lợi, chỉ số nhiễu, độ ổn định và các thông số khác để đảm bảo chúng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Tối ưu hóa thiết kế: Điều chỉnh giá trị và cấu hình của các thành phần để cải thiện hiệu suất và đạt được các mục tiêu thiết kế.

Quy trình ADS:

• Thiết lập các mô phỏng để phân tích hiệu suất của LNA.
• Cấu hình phân tích AC để quét dải tần số quan tâm.
• Thực hiện mô phỏng tham số S và tiếng ồn để phân tích độ lợi, chỉ số tiếng ồn và độ ổn định.
• Sử dụng các công cụ tối ưu hóa trong ADS để tinh chỉnh giá trị thành phần và tối ưu hóa hiệu suất LNA.
• Tối ưu hóa để đạt được lợi ích tối đa trong khi đáp ứng các yêu cầu về chỉ số nhiễu.
• Điều chỉnh giá trị linh kiện trong mạng ghép nối để đạt được sự ghép nối trở kháng tối ưu.

Sau khi mô phỏng và tối ưu hóa, mạch LNA có thể được chế tạo bằng các công nghệ phù hợp như bảng mạch in (PCB) hoặc chế tạo mạch tích hợp (IC). Khi đã được chế tạo, LNA nên được kiểm tra bằng thiết bị kiểm tra RF để xác minh hiệu suất của nó so với các thông số kỹ thuật.
Chế tạo mạch LNA và thử nghiệm nó bằng thiết bị kiểm tra RF:

• Xác minh hiệu suất: Đo lường gain, chỉ số nhiễu và các thông số khác để xác thực theo các thông số kỹ thuật.
• Điều chỉnh nếu cần thiết: Điều chỉnh giá trị hoặc cấu hình của các thành phần để tối ưu hóa hiệu suất nếu có sự sai lệch được quan sát.

Bằng cách làm theo các bước chi tiết này, các nhà thiết kế có thể thiết kế và tối ưu hóa các bộ khuếch đại thấp Ồn một cách hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng RF khác nhau.
Quy trình ADS:

• Tạo một thiết kế bố trí mới cho mạch LNA.
• Đặt các thành phần trên bố cục theo thiết kế sơ đồ.
• Định tuyến các kết nối và đường truyền một cách cẩn thận để giảm thiểu các hiệu ứng nhiễu loạn và đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.
• Sử dụng khả năng mô phỏng EM của ADS để phân tích hành vi điện từ của bố cục.
• Thực hiện mô phỏng EM để xác minh các đặc tính của đường truyền, hiệu ứng nhiễu và sự phù hợp về trở kháng.
• Điều chỉnh bố cục nếu cần thiết dựa trên kết quả mô phỏng.
• Thực hiện các mô phỏng cuối cùng để xác minh hiệu suất LNA so với các thông số kỹ thuật.
• Xuất thiết kế để gia công nếu hài lòng với kết quả mô phỏng.
• Chế tạo mạch LNA và thử nghiệm nó bằng thiết bị kiểm tra RF để xác thực hiệu suất trong điều kiện thực tế.

Kết luận

Thiết kế một bộ khuếch đại giảm tiếng ồn đòi hỏi một phương pháp hệ thống, kết hợp các nguyên tắc lý thuyết với việc thực hiện thực tế. Tận dụng Hệ thống Thiết kế Nâng cao (ADS), các nhà thiết kế có thể điều hướng những phức tạp tinh vi của thiết kế LNA, từ việc xác định thông số kỹ thuật đến chế tạo và thử nghiệm mạch hoàn chỉnh. Bằng cách theo dõi hướng dẫn toàn diện này, các nhà thiết kế có thể chế tạo các LNA được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng RF đa dạng với độ chính xác và hiệu quả.