BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ HUY TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT THÍCH NGHI
CHO ĂNG TEN ĐA BÚP SÓNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – Năm 2013

1


Mục lục
Mục lục ........................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................5
Danh sách các từ viết tắt .............................................................................................6
Danh sách các hình vẽ .................................................................................................7
Danh sách bảng biểu .................................................................................................10
Phần mở đầu ..............................................................................................................11
Chương 1

Cơ bản về khuếch đại công suất ........................................................13

1.1


1.3.4

Độ ổn định của bộ khuếch đại ..................................................................28

1.3.5

Méo điều chế trong bộ phát ......................................................................29

1.3.6

Nhiễu ........................................................................................................30

1.4

Một số công nghệ transistor sử dụng cho khuếch đại công suất.....................31

1.4.1

LDMOS (Lateral double-diffused metal oxide semiconductor) ..............31

1.4.2

HEMT (High Electronic Mobility Transistor) .........................................32

1.5

Khuếch đại Doherty ........................................................................................33

1.6

1.8

Ưu điểm và nhược điểm của khuếch đại Doherty ..........................................44

Kết luận chương ........................................................................................................45
Chương 2

Phân tích và thiết kế ...........................................................................46

2.1

Giới thiệu ........................................................................................................46

2.2

Kiến trúc thiết kế .............................................................................................46

2.3

Lựa chọn lớp hoạt động ..................................................................................47

2.4 Thiết kế bộ khuếch đại đơn .................................................................................48
2.4.1 Phân tích DC .................................................................................................48
2.4.2 Xác định tải làm việc ....................................................................................50
2.4.3 Phối hợp trở kháng tại đầu vào và đầu ra .....................................................54
2.4.4 Mô phỏng mạch khuếch đại đơn...................................................................63
2.5 Thiết kế bộ khuếch đại Doherty ..........................................................................69
2.5.1 Bộ chia công suất đầu vào ............................................................................69
2.5.2 Phân cực cho bộ khuếch đại chính và khuếch đại phụ .................................71
2.5.3 Mô phỏng mạch khuếch đại Doherty............................................................71

3.3.2. Bộ suy giảm.....................................................................................................88
3.3.3. IC tiền khuếch đại ...........................................................................................88
Kết luận chương ........................................................................................................89
KẾT LUẬN ...............................................................................................................90
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................91

4


LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong
Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi
trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong
Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các
học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu.Và đặc biệt tôi xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Đào Ngọc Chiến đã tận tình hướng
dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do tôi tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận, có sự góp ý
và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với tất cả nội dung trong luận văn này.
Tác giả

Đỗ Huy Tùng

5


Danh sách các từ viết tắt
LDMOS


6


Danh sách các hình vẽ
Hình 1. 1: Sơ đồ khối bộ khuếch đại. ............................................................................................... 13
Hình 1. 2: transistor như một nguồn dòng phụ thuộc. ..................................................................... 14
Hình 1. 3: transistor như một chuyển mạch ..................................................................................... 15
Hình 1. 4: Dạng sóng của dòng điện cực máng. (a) lớp A. (b) lớp B (c) lớp AB (d) lớp C. ........... 16
Hình 1. 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C .......................................................................... 17
Hình 1. 6: Khuếch đại công suất lớp A ........................................................................................... 18
Hình 1. 7: Khuếch đại công suất lớp A với bộ chuyển đổi một phần tư bước sóng ....................... 19
Hình 1. 8: Dạng sóng trong khuếch đại công suất lớp A ................................................................ 21
Hình 1. 9: Khuếch đại tín hiệu AM trong khuếch đại lớp A............................................................ 22
Hình 1. 10 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C ............................................................................... 23
Hình 1. 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B ................................................................. 24
Hình 1. 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C .................................................................................. 25
Hình 1. 13: Khuếch đại tín hiệu AM trong lớp AB, B, C. (a) lớp AB. (b) lớp B. (c) lớp C ............ 26
Hình 1. 14: Dải động của bộ khuếch đại công suất ......................................................................... 28
Hình 1. 15: (a) phổ điện áp đầu vào. (b) phổ điện áp tín hiệu đầu ra do sinh ra hài ..................... 29
Hình 1. 16: (a) phổ của điện áp đầu vào. (b) một vài thành phần của tín hiệu đầu ra do điều chế
qua lại .............................................................................................................................................. 30
Hình 1. 17: Cấu trúc của LDMOS .................................................................................................. 31
Hình 1. 18: Cấu trúc của HEMT..................................................................................................... 32
Hình 1. 19: Công suất và tần số hoạt động trong một vài công nghệ transistor ứng dụng cho
khuếch đại công suất ........................................................................................................................ 33
Hình 1. 20: Cấu trúc khuếch đại Doherty ........................................................................................ 35
Hình 1. 21: Sơ đồ khối đơn giản của khuếch đại Doherty ............................................................... 36
Hình 1. 22: Hiệu suất của khuếch đại Doherty ................................................................................ 37
Hình 1. 23: Mạch điều biến trở kháng tải ........................................................................................ 38

Hình 2. 23: Mạng phối hợp trở kháng đầu vào................................................................................ 62
Hình 2. 24: Mạch phối hợp trở kháng đầu ra trong Momemtum..................................................... 62
Hình 2. 25: Mô phỏng Momentum khuếch đại đơn trong ADS ........................................................ 63
Hình 2. 26: Sơ đồ mô phỏng Large-signal ....................................................................................... 64
Hình 2. 27: Kết quả mô phỏng hệ số S21 .......................................................................................... 64
Hình 2. 28: Hệ số S11 của khuếch đại đơn ....................................................................................... 65
Hình 2. 29: Hệ số S22 của khuếch đại đơn ....................................................................................... 65
Hình 2. 30: Độ ổn định của mạch khuếch đại đơn .......................................................................... 66
Hình 2. 31: Hài của khuếch đại đơn ................................................................................................ 67
Hình 2. 32: Tín hiệu vào và tín hiệu ra theo thời gian ..................................................................... 67
Hình 2. 33: Đồ thị công suất đầu ra theo công suất đầu vào mạch khuếch đại đơn ....................... 68
Hình 2. 34: Hiệu suất của mạch khuếch đại đơn ............................................................................. 69
Hình 2. 35: Sơ đồ bộ ghép trong ADS.............................................................................................. 69
Hình 2. 36: Hệ số truyền đạt S31 và S21 ............................................................................................ 70
Hình 2. 37: Pha của tín hiệu ra tại cổng 2 và cổng 3 của bộ ghép 3dB .......................................... 70
Hình 2. 38: sơ đồ khuếch đại Doherty ............................................................................................. 71
Hình 2. 39: Sơ đồ mạch khuếch đại Doherty trong Momentum....................................................... 72
Hình 2. 40: Sơ đồ mô phỏng LSSP mạch khuếch đại Doherty......................................................... 73
Hình 2. 41: S21 của mạch khuếch đại Doherty với các giá trị VGS của khuếch đại phụ khác nhau .. 73
Hình 2. 42: S11 của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ................... 74
Hình 2. 43: S22 của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ................... 74
Hình 2. 44: Hiệu suất của mạch khuếch đại Doherty với VGS của khuếch đại phụ khác nhau ........ 75
Hình 2. 45: Độ lợi của mạch khuếch đại Doherty ........................................................................... 75
Hình 2. 46: Layout của khuếch đại đơn ........................................................................................... 77
Hình 2. 47: Layout của khuếch đại Doherty .................................................................................... 77
Hình 3. 1: Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển khuếch đại…………………………….……………..79
Hình 3. 2: Sơ đồ mạch ghép ............................................................................................................. 80
Hình 3. 3: Mô hình bộ ghép trong HFSS ......................................................................................... 81
Hình 3. 4: Kết quả mô phỏng, hệ số S21 và S31 của mạch ghép ..................................................... 82
Hình 3. 5: Kết quả mô phỏng hệ số S11 ........................................................................................... 82

Bảng 13 Giá trị điện trở của mạng suy giảm hình π ...................................................................... 83

10


Phần mở đầu
Trong các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại, đặc biệt hệ thống viễn thông
thì công nghệ 4G đang là xu hướng cho tương lai với hai ứng viên là LTE và
WiMax. Hiện tại thì công nghệ 3G như WCDMA hay HSDPA đang được sử dụng
rộng rãi. Hình dưới mô tả sơ đồ khối của bộ phát vô tuyến bao gồm bộ tạo dao động
nội, bộ trộn, bộ lọc thông dải, bộ khuếch đại công suất và ăng ten.
Mixer

Antenna

PA

BPF
Analog input

~
Local
oscillator

Sơ đồ khối cơ bản của bộ phát vô tuyến

Khuếch đại công suất là một phần quan trọng để xây dựng một hệ thống viễn
thông thành công, là khâu cuối cùng trước khi đưa tín hiệu vào anten.Hiệu suất cao
và độ tuyến tính cao của bộ khuếch đại công suất là điều quan trọng cơ bản trong
các hệ thống liên lạc không dây.Hiệu suất cao được đòi hỏi cho sự tiêu thụ năng

xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, thầy cô và bạn bè trong phòng nghiên
cứu và phát triển truyền thông, những người đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều
kiện cho tôi hoàn thành luận văn.

12


Chương 1 Cơ bản về khuếch đại công
suất
1.1

Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại công suất, miêu tả trong hình 1.1, bao

gồm một transistor (MOSFET, MESFET, BJT,…), hệ thống mạch đầu vào, đầu ra,
và cuộn cảm kháng cao tần. Trong bộ khuếch đại công suất cao tần, một transistor
có thể hoạt động ở hai chế độ:
 Là một nguồn dòng phụ thuộc.
 Là một chuyển mạch.

VI

RFC

+

AC

Input
network

Hình 1. 2: Transistor như một nguồn dòng phụ thuộc.

Khi transitor hoạt động như một chuyển mạch,transitor hoạt động trong vùng
ohmic khi đóng và trong vùng khóa khi mở. Để duy trì hoạt động trong vùng ohmic,
transistor đòi hỏi VDS


Hình 1. 5: Điểm hoạt động của lớp A,AB, B,và C

Transistor hoạt động như một chuyển mạch dùng trong lớp D, E, DE của
khuếch đại công suất trong miền tần số vô tuyến.Trong lớp F, transistor có thể hoạt
động hoặc là một nguồn dòng phụ thuộc hoặc là một chuyển mạch.
1.2.1 Khuếch đại công suất lớp A
Khuếch đại công suất lớp A là một bộ khuếch đại tuyến tính. Một bộ khuếch
đại tuyến tính sinh ra một bản sao của dạng sóng điện áp hay dòng điện đầu vào. Nó
cung cấp sự tái tạo chính xác của cả về hình bao và pha của tín hiệu đầu vào. Do đó,
hiệu suất của lớp A là rất thấp.
Bộ khuếch đại công suất lớp A bao gồm một transistor, một cuộn cảm kháng
cao tần, một mạch L-C song song, và một tụ ghép C. Điểm hoạt động nằm trong
vùng bão hòa. Tại tần số cộng hưởngfo, dòng điện cực máng ID và điện áp cực máng
VDS lệch pha nhau 1800. Khuếch đại công suất lớp A là gần như tuyến tính nên sinh

17


ra sự méo hài và méo liên điều chế thấp. Biên độ của các hài trong điện áp đầu ra là
rất thấp. Do đó, nó phù hợp cho khuếch đại tín hiệu điều biên. Trong khuếch đại lớp
A băng hẹp, mạch L-C song song sử dụng như là một bộ lọc thông dải để chặn các
hài sinh ra và cho phép phổ tín hiệu băng hẹp đi qua. Trong khuếch đại lớp A băng
rộng thì bộ lọc là không cần thiết.

Hình 1. 6: Khuếch đại công suất lớp A

Cuộn cảm kháng cao tần có thể thay thế bẳng một đường truyền vi dải λ/4.
Trở kháng vào của đường truyền được tính theo công thức:

19


Với VGS là điện áp phân cực của cực cửa, Vgsm là biên độ của thành phần
xoay chiều đưa vào cực cửa, và

là tần số góc hoạt động. Để giữ cho

transistor hoạt động trong vùng bão hòa mọi lúc thì phải thỏa mãn điều kiện sau:
(1.6)
Dòng điện tại cực máng trong bộ khuếch đại lớp A là:
(1.7)
Với
( )

(1.8)

µn0 là sự chuyển động của electron bề mặt trường thấp, Cox = ϵ ox/tox là điện
dung oxit trên diện tích đơn vị của tụ điện cực cửa, tox là độ dày lớp oxit, ϵ

ox

=

0.345 pF/cm là hằng số điện môi oxit silic, L là chiều dài kênh, W là độ rộng kênh.
(1.9)
Dòng điện cực máng được biểu diễn
(1.10)
Dòng điện ra tại tần số hoạt động sẽ là
(1.11)

1.2.2 Khuếch đại công suất lớp AB, B, C
Khuếch đại công suất lớp B bao gồm một transistor và một mạch cộng
hưởng song song.Transistor hoạt động như nguồn dòng phụ thuộc.Góc dẫn của
dòng cực máng trong lớp B là 1800. Hiệu suất của khuếch đại lớp B cao hơn so với

22


khuếch đại lớp A. Mạch khuếch đại lớp C cũng giống như khuếch đại lớp B. Tuy
nhiên, góc dẫn của dòng điện cực máng là nhỏ hơn 1800. Lớp B và lớp C thường
được sử dụng cho khuếch đại ở miền tần số vô tuyến.

Hình 1. 10: Khuếch đại công suất lớp AB, B, C

Điểm hoạt động của lớp B nằm tại bờ giữa vùng khóa và vùng bão hòa.
Thành phần một chiều VGS = Vt. Do đó, góc dẫn 2θ là 1800. Transistor hoạt động
như nguồn dòng phụ thuộc điện áp điều khiển.Dạng sóng của dòng điện và điện áp
trong khuếch đại công suất lớp B trong hình 1.10.
Trong mạch khuếch đại công suất lớp C, điểm hoạt động nằm trong vùng
khóa.Thành phần một chiều VGS< Vt. Do đó, góc dẫn nhỏ hơn 1800.

23


Hình 1. 11: Dạng sóng của khuếch đại công suất lớp B

24


Hình 1. 12: Dạng sóng của khuếch đại lớp C