THIẾT KẾ BỘ DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT RF LỚP E
DÙNG KÍCH THÍCH ĐÈN RUBI TRONG CÁC ĐỒNG HỒ NGUYÊN TỬ RUBITh.S NGHIÊM XUÂN ANH
Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông
Khoa Điện – Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thiết kế bộ dao động công suất 83 MHz lớp E hiệu suất cao
dùng kích thích đèn rubi trong các đồng hồ Nguyên tử Rubi – đồng hồ có độ chính xác và ổn
định rất cao sử dụng làm các nguồn định thời trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là các hệ
thống không gian như vệ tinh GPS và quốc phòng. Nguyên mẫu bộ dao động đèn đã được thiết
kế, chế tạo và đo đạc thành công, đáp ứng những yêu cầu về kích cỡ mạch nhỏ, hiệu suất cao
(trên 73%) và công suất tiêu thụ thấp.
Summary: In this article, a design of a 83 MHz high efficiency class E power oscillator
used for rubidium lamp excitement in high precision and stability Rubidium Atomic Clocks,
which are used as standard timing sources for communication systems, GPS sattelite and
military facilities, is presented. A prototype of this oscillator has been designed, fabricated
and measured successfully and shown to have a very high efficiency of more than 73%,
satisfying the requirements for a small-sized, high-efficiency circuit and low DC power
consumption.
Keywords: class E, power amplifier, power oscillator, lamp oscillator, lamp coil, lamp
housing, rubidium vapor cell, rubidium lamp, atomic clock, high efficiency, low power
consumptionn. I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bộ dao động công suất là một phần không thể thiếu được trong việc kích thích đèn rubi
trong các đồng hồ nguyên tử rubi và là một chủ đề đáng quan tâm khi yêu cầu ngày càng cao về

Lamp chính là phần nằm trong thiết kế được giới thiệu trong bài báo này.

Hình. 1 Sơ đồ khối đồng hồ nguyên tử [2]
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mạch khuyếch đại công suất lớp E
Trong bộ khuếch đại công suất lớp E được mô tả bởi Sokal [3], [7], transistor đóng vai trò
một công tắc đóng-mở và các sóng điện áp và dòng điện drain/colector không đồng thời chồng
lấn nhau (xem hình 2b). Điều này giúp giảm thiểu tiêu thụ công suất và tăng tối đa hiệu suất của
mạch khuếch đại.
Đặc tính của mạch khuếch đại lớp E có thể được xác định bằng việc tìm các sóng điện áp
và dòng điện collector ở trạng thái xác lập. Mạch tải của bộ khuếch đại bao gồm một tụ điện C
nối song song với transistor, một điện cảm nối tiếp L, một mạch điều hưởng nối tiếp L
0
C
0
và
một điện trở tải R (hình 2a). Thông thường, tụ điện song song C có thể đại diện cho điện dung
nội ở cửa ra của transistor cộng với điện dung ngoại do mạch tải đưa vào.
Cực collector của transistor được nối vào nguồn cấp qua cuộn chặn RF có điện kháng cao ở tần số cơ bản. Phần tử tích cực được xem là một công tắc (switch) lý tưởng được điều khiển sao
cho phần tử này thực hiện đóng mở giữa hai trạng thái ON và OFF. Vì thế, dạng sóng điện áp
collector được xác định bởi công tắc này khi nó ở trạng thái đóng (ON) và bởi đáp ứng quá độ
của mạch tải khi công tắc ở trạng thái tắt (OFF).

Hình 2. Dạng sóng “mong muốn” của dòng và áp collector/drain của bộ khuếch đại lớp E
Các phương trình thiết kế cho mạch khuếch đại lớp E sử dụng phần tử tập trung được giới
thiệu trong [3]. Trong tài liệu này, ta có thể tìm được các cách thức và qui trình tối ưu, điều
chỉnh cho mạch khuếch đại lớp E.

O
−
=
(2)
Số hạng AL(s) ở tử số là độ khuếch đại hướng đi của hệ thống và số hạng AL(s)H(s) là độ khuếch đại vòng của mạch dao động. Các điểm cực của hệ thống được cho bởi giá trị của tần số
phức s mà ở đó

(3)
0)s(H)s(AL1
=
−
Đối với dao động ở trạng thái xác lập, nghiệm của phương trình này phải nằm trên trục ảo
tại tần số , tại đó
ω= js
(4)
0))j(H)j(ALIm(
1))j(H)j(ALRe(
00
00
=ωω
=ωω
Phương trình (4) được biết tới với tên gọi “tiêu chuẩn Barkhausen”, nó đưa ra điều kiện cần
(nhưng không đủ) cho phát sinh dao động. Hai phương trình này có thể được giải để tìm ra mức
tín hiệu dẫn tới việc giới hạn với giả thiết giá trị cần để thỏa mãn (4) ở tần số ω
0
. Điều này xảy
ra khi tổng độ khuếch đại vòng bằng một và tổng độ di pha quanh vòng kín bằng không hoặc

trong [4] như sau: 2,11,22,12,21,1
2,11,2
S2SSSS1
SS
G
−+−
−
=
(5)
Ở đây, G là độ khuếch đại vòng mở đã sửa đổi còn các tham số S hoàn toàn là các tham số
tán xạ của mạch dao động vòng mở.
2.3. Tính hiệu suất của mạch dao động/ khuếch đại
Dựa vào lượng công suất cần thiết làm sáng đèn (đo được trong mục 4) và lượng công suất
DC mà mạch dao động tiêu thụ ta có thể tính toán gần đúng hiệu suất của nó như sau
DC
ON
P
P
=η

(6)
Ở đây P
là công suất tối thiểu làm sáng đèn và P
ON DC
là công suất DC tiêu thụ bởi mạch
dao động/khuếch đại.
III. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MẠCH DAO ĐỘNG

μ
0.1
pF33

Hình 5. Bộ khuếch đại công suất lớp E cơ bản Hiệu suất chuyển đổi DC sang RF từ kết quả mô phỏng trên bảng 1 cho thấy đạt khoảng
76% tại tần số 83 MHz với mức công suất vào 15dBm.
Bảng 1. Công suất ra và hiệu suất của mạch
mô phỏng trên hình 5

Kế tiếp, phát triển bộ khuếch đại lớp E này thành bộ dao động dùng làm bộ kích thích đèn
độc lập. Việc này có thể được thực hiện bằng cách thiết kế một mạng hồi tiếp cho bộ khuếch đại
này. Vài phép thử được đưa ra để lựa chọn điểm hổi tiếp từ mạng cửa ra và cho thấy điểm trên
tải là thích hợp nhất. Điều này có thể được minh chứng bằng việc sử dụng tiêu chuẩn Nyquist,
theo đó tiêu chuẩn này phát biểu rằng độ khuếch đại vòng mở G trong (5) phải bao điểm (1,0)
trên đồ thị Nyquist theo chiều kim đồng hồ và dao động xảy ra tại tần số nằm trên trục thực mà
ở đó độ khuếch đại vòng mở lớn hơn một và pha bằng không (phần ảo bằng không) [3], [4].
Một sự lựa chọn nữa cho việc kiểm tra dao động là sử dụng phần tử OscTest trong trình mô
phỏng ADS nhằm đánh giá độ khuếch đại vòng mở [4]. Sử dụng nó ta có thể đảm bảo rằng dao
động sẽ xuất hiện nhưng không chính xác là tần số mà ta đã ước lượng bằng việc sử dụng tiêu
chuẩn Nyquist. Tần số này có thể thấp hơn một chút khi mạch dao động làm việc ở trạng thái
xác lập.
Mạng hồi tiếp có thể được thực thi bằng việc sử dụng một điện cảm nhằm di pha của tín
hiệu ra đến một giá trị thích hợp thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định Nyquist [6]. Trong thực tế, mạng
hồi tiếp được thực hiện sử dụng một biến áp tự ngẫu (autotransformer) có tỷ số vòng 12:1 và
nhánh giữa (tap) được nối đất, tạo ra độ di pha 180
0
tín hiệu đầu ra so với tín hiệu đầu vào.

time, nsec
ts(V_L), V

Hình 6 (b). Điện áp đo trên cuộn dây của mạch cộng hưởng
Sau cùng, toàn bộ biến áp này được đặt vào bộ phận gá đèn gọi là (lamp housing) và cần
một số điều chỉnh cần thiết để hoàn tất bộ dao động đèn này. Do sự thay đổi môi trường dẫn từ
(khi đèn chuyển từ trạng thái sáng (ON) sang tối (OFF)) và tác động giới hạn từ trường của vật
chắn kim loại (lamp housing) dẫn tới phát sinh hiện tượng cộng hưởng ở
50 100 150 200 250 300 350 4000 450
0
20
40
60
-20
80
freq, MHz
dBm(V_L)
m1
m1
freq=
plot_vs(dBm(V_L), freq)=60.48
0
83.73MHz

Hình 6 (c). Phổ tín hiệu của mạch dao động
Các mode của hốc cộng hưởng hình trụ. Những tác động này, đặc biệt là sự thay đổi trạng
thái của đèn làm thay đổi khá mạnh tần số dao động của mạch. Hiểu được bản chất và sâu sắc
vấn đề này đòi hỏi phải thiết kế bộ gá đèn (lamp housing) và mô phỏng EM 3D trong HFSS
(Ansoft) hoặc CST Microwave Studio. Tuy nhiên, trong bài báo này, do thời gian có hạn nên tác
giả thiết kế dựa trên thực nghiệm.

MHz 111 (OFF) 83 (ON) 111 (OFF) 83 (ON)

Vgs V 3 2.6

Vds V 12 12
Id(ON)
mA
P
Id (ON)
mA
PDC
DC
Đèn số
Thời gian trễ (s) Đèn số
Thời gian trễ (s)
(W)
(W)
Hoạt động của bộ dao động đèn này thực tế phức tạp hơn bởi vì transitor làm việc như một
bộ điều chế OOK hồi tiếp dạng sóng điều chế này về đầu vào và kết quả là làm tăng hiệu suất
của bộ dao động lớp E. Chính kiểu hoạt động đóng mở (switching) này đã phát sinh quá trình
điều chế. Hình 10 chỉ ra kết quả của quá trình điều chế này.

Hình 10. Điện áp Drain cho thấy kết quả của điều chế OOK
giải thích tại sao bộ dao động lớp E đã thiết kế lại có hiệu suất rất cao

o
C
#16 61 0.73 0 #16 66 0.79 0

Sóng mang điều chế chính xác là tần số dao động 83 MHz như trên hình 11.

Hình 11. Dạng sóng điện áp dao động ở tần số 83 MHz
Tuy nhiên, nếu không muốn hiệu ứng điều chế này xảy ra thì ta có thể tăng mức điện áp
phân cực lên trên mức ngưỡng nhằm dừng quá trình đóng mở (switching) nhưng như vậy ta sẽ
phải trả giá cho tiêu thụ công suất DC lớn hơn và theo đó làm giảm hiệu suất của mạch (chuyển
sang lớp hoạt động khác). Một vài kết quả đo đạc được cho trong bảng 3.
Bảng 3. Tiêu thụ công suất DC trong trường hợp không có điều chế OOK
Tham
số
Đơn
vị
Bảng mạch #1 Bảng mạch #2

Tần số MHz 111 (OFF) 83 (ON) 111 (OFF) 83 (ON)

Vgs V 2.8 2.8

V V 9 9
ds
Thời gian
trễ (s)
Id (ON)
– mA
P Thời gian
trễ (s)

o
C
#10 130
0.76
8
5 #10 152 1.37 0
#16 133
0.73
2
0 #16 143 1.28 0
Cường độ sáng Cao cao hơn

máy tạo tín hiệu sao cho đèn có thể được kích thích phát sáng (ON). Hơn nữa, ta cần một bộ
ghép song hướng (bi-directional coupler) kết hợp với thiết bị Network/Spectrum /Impedance
Analyzer 4396B để đo hệ số phản xạ |S
11
|. Sau khi có được |S
11
|, ta đo công suất tới P
inc
đưa vào
mạch TEST này. Một khi đã biết công suất P
inc
và |S
11
| ta có thể tính công suất phản xạ P
ref
như
sau


kích thước nhỏ, công suất tiêu thụ thấp.
4N Rev. 2 2/2007.
for Wireless Solutions, Volume II, active circuits and
rebennikov, RF and Microwave Transistor Oscillator Design, John Wiley & Sons Ltd, 2007.
eory and Techniques, IEEE Transactions onVolume 47, Issue 12, Dec 1999
Page(s): 2534 – 2538
♦
(8)
Từ phép đo, P
inc
xấp khỉ kh
ẾT LUẬN
Sản phẩm mẫu bộ dao động đèn rubi hiệu suất cao (trên 73%) sử dụng từ trường để kích
thích đã được thiết kế và chế tạo thành công tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển R&D –
công ty ARtech – Hàn Quốc. Kết quả đo cho thấy công suất DC tiêu thụ cực thấp (0,6 W) là đèn
đã phát sáng. Sở dĩ như vậy là do hoạt động OOK (On-Off keying) của transistor hoạt động ở
lớp E tạo ra các gói sóng không liên tục (non-CW) ở tần suất thấp. Tuy nhiên, tùy theo cường
độ sáng yêu cầu bởi bộ cộng hưởng nguyên tử Rubi (Rubidium resonance cell) được chiếu để
kích thích nguyên tử lên trạng thái bền vững mà công suất DC yêu cầu đối với bộ dao động có
thể tăng lên tương ứng. Hơn nữa, ta có thể điều chỉnh mức điện áp phân cực để tránh hiện tượng
điều chế OOK xuất hiện, nhưng khi đó bộ dao động sẽ chuyển chế độ (lớp) hoạt động và hậu
quả là tiêu thụ công suất tăng lên, làm giảm hiệu suất chuyển đổi DC-RF. Phát triển tiếp theo
loại dao động đèn này có thể đòi hỏi thực hiện nhiều phép đo kiểm hơn nữa khi tích hợp nó vào
phần còn lại của bộ dao động nguyên tử rubi để chắc chắn rằng nó hoạt động tốt, đảm đương
được vai trò của nó là mạch phát ánh sán
Tài liệu tham khảo
[1]. Freescale Semiconductor, Technical Data. Document number MW6S00
[2]. Symmetricom, Rubidium Keeps Signal Stable. Article Reprint, 2004.
[3] Nathan O. Sokal, Class E RF power Amplifiers. QEX, Jan/Feb 2001, pp. 9-20.
[4]. Les Besser. Practical RF circuit Design