MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT.................................................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 9
CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU .......................... 12
1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................12
1.2 Hệ thống GPS .................................................................................................13
1.3 Hệ thống GLONASS ......................................................................................13
1.4 Hệ thống GALILEO .......................................................................................14
1.5 Sơ đồ khối máy thu GNSS ..............................................................................15
1.6 Khối dao động điều khiển bằng điện áp VCO ................................................16
1.7 Kết luận Chƣơng 1 ..........................................................................................16
CHƢƠNG II – CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ THÔNG SỐ CHÍNH CỦA KHỐI
DAO ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN ÁP VCO ............................................... 17
2.1 Tìm hiểu lý thuyết về VCO ............................................................................17
2.1.1 Tần số dao động ......................................................................................18
2.1.2 Lý thuyết điện trở âm ..............................................................................19
2.1.3 Điều kiện để mạch dao động...................................................................20
2.1.4 Tạp âm pha ..............................................................................................21
2.1.5 Hệ số phẩm chất của cuộn cảm, tụ điện. .................................................24
2.1.5.1 Hệ số phẩm chất của cuộn cảm .......................................................24
2.1.5.2 Hệ số phẩm chất của tụ điện ............................................................25
2.1.6 Tần số trung tâm .....................................................................................25
2.1.7 Hệ số chất lƣợng của mạch dao động (FOM: Fingure of Merit) ............25
2.1.8 Độ nhạy điều khiển của mạch dao động .................................................26
2.1.9 Độ biến thiên độ nhạy điều khiển ...........................................................27
2.1.10 Công suất tiêu thụ của mạch dao động .................................................27

1


2


3.3.4.6 Tính tạp âm pha của hệ thống..........................................................71
3.3.4.7 Tính hệ số chất lƣợng của mạch ......................................................73
3.4 Kết quả cuối cùng sau khi tối ƣu các phần mạch dao động............................73
3.5 Kết luận Chƣơng 3 ..........................................................................................76
KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 80

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phùng Ngọc Sơn, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà nội, ngày tháng năm 2015

Phùng Ngọc Sơn

4


LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật đƣợc nghiên cứu và hoàn thành tại Viện Đào tạo sau Đại
học thuộc Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan đã trực tiếp
giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình


AGC

Automatic Gain Controller

Bộ khuếch đại tự động điều
chỉnh hệ số khuếch đại

A/D

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số

C

C

Điện dung

CMOS

Complementary Metal-Oxide

Công nghệ bán dẫn Oxit bù

Semiconductor

kim loại



L

Độ tự cảm

LNA

Low-Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội

MOSFET

Metal oxide semiconductor field-

Transistor hiệu ứng trƣờng

effect Transistor

kênh cảm ứng.

Negative Metal Oxide

Transistor hiệu ứng trƣờng


Phân tích tạp âm theo chu kỳ

PSS

Periodic Steady State Analysis

Chế độ phân tích trạng thái ổn

NMOS

6


định tuần hoàn
Q

Quality factor

Hệ số phẩm chất

RF

Radio Frequence

Tần số Radio

Varactor

Variable Capacitor

Threshold voltage

Điện áp ngƣỡng của transistor

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng tổng hợp các tham số mạch bài báo 1 ............................................. 36
Bảng 2.1: Các thông số cần tối ƣu của mạch LC ...................................................... 38
Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của mạch dao động VCO ........................................ 44
Bảng 3.2: Bảng so sánh các ƣu nhƣợc điểm các mạch dao động ............................. 46
Bảng 3.3: Bảng thông số của Varactor ..................................................................... 54
Bảng 3.4: Bảng thông số cuộn cảm........................................................................... 55
Bảng 3.5: Thông số cuộn cảm L sau mô phỏng ........................................................ 58
Bảng 3.6: Bảng mối quan hệ giữa L, C, Q và F ........................................................ 58
Bảng 3.7: Bảng mối quan hệ giữa L, Rp, C, Q và F ................................................. 61
Bảng 3.8: Kích thƣớc transistor của mạch ................................................................ 63
Bảng 3.9: Thông số cuộn cảm trong mạch hoàn chỉnh ............................................. 65
Bảng 3.10: Thông số Varactor trong mạch hoàn chỉnh ............................................ 65
Bảng 3.11: Thông số Varactor sau chỉnh Finger ...................................................... 66
Bảng 3.12: Thông số hình học của L và C sau điều chỉnh để đạt phase noise ......... 72
Bảng 3.13: Bảng tổng hợp các thông số của Transistor............................................ 74
Bảng 3.14: Bảng thông số cuộn cảm L và tụ có điện dung thay đổi C ..................... 74
Bảng 3.15: Bảng thông số hoạt động của mạch ........................................................ 74
Bảng 3.16: Bảng mối quan hệ giữa các thông số mạch ............................................ 76
Bảng 3.17: Bảng so sánh thông số của các mạch dao động ...................................... 76
Bảng 3.18: So sánh các tham số của luận văn với bài báo 1 và bài báo 2 ................ 77


Hình 2.21: Đặc tính V-F của mạch dao động VCO tạp âm thấp bài báo 1............... 36

9


Hình 2.22: Đặc tuyến tạp âm pha của bộ dao động bài báo 1................................... 36
Hình 2.23: Sơ đồ mạch dao động một tầng đơn........................................................ 40
Hình 2.24: Sơ đồ mạch dao động cầu phƣơng .......................................................... 41
Hình 2.25: dải điều chỉnh điện áp dạng 3D............................................................... 41
Hình 2.26: Đặc tính tạp âm pha của mạch VCO bài báo 2 ....................................... 42
Hình 3.1: Sơ đồ mạch dao động VCO đấu chéo cặp ................................................ 48
Hình 3.2: Các bƣớc thực hiện thiết kế mạch LC-VCO ............................................. 49
Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng đặc tính C-V của Varactor ............................................. 50
Hình 3.4: Đặc tính C-V mô phỏng đƣợc khi Vtune nối với cực G ........................... 51
Hình 3.5: Đặc tính V-C mô phỏng đƣợc khi Vtune nối với cực SD ......................... 52
Hình 3.6: Sự phụ thuộc kích thƣớc Varactor đến diện dung Cg ............................... 53
Hình 3.7: Sơ đồ mạch mô phỏng thông số cuộn cảm ............................................... 54
Hình 3.8: Cuộn cảm hình xoắn vuông ...................................................................... 55
Hình 3.9: Hệ số Q của cuộn cảm ở các vòng xoắn khác nhau, độ rộng 3U.............. 56
Hình 3.10: Hệ số Q của cuộn cảm ở các vòng xoắn khác nhau, độ rộng 9U............ 56
Hình 3.11: Hệ số Q của cuộn cảm ở các vòng xoắn khác nhau, độ rộng 15U.......... 57
Hình 3.12: Hệ số Q của cuộn cảm ở các vòng xoắn khác nhau, độ rộng 30U.......... 57
Hình 3.13: Mạch mô phỏng khối LC ........................................................................ 60
Hình 3.14: Dạng sóng thế hiện trở kháng của mạch LC).......................................... 60
Hình 3.15: Sơ đồ khối mạch dao động LC VCO ...................................................... 62
Hình 3.16: Mạch dao động LC-VCO hoàn chỉnh ..................................................... 63
Hình 3.17: Tần số và dạng sóng dao động của mạch ................................................ 64
Hình 3.18: Dạng sóng dao động LC-VCO ................................................................ 66
Hình 3.19: Đƣờng đặc tính f-V của mạch dao động LC-VCO ................................. 67
Hình 3.20: Dạng sóng dao động ứng với các giá trị điện áp phân cực nguồn dòng

(GLONASS - Global Orbiting Navigation Satellite System - Hệ thống vệ tinh dẫn
đƣờng quỹ đạo toàn cầu), Châu Âu (GALILEO – lấy tên một nhà thiên văn học),
Nhật (QZSS - Quasi-Zenith Satellite System – Hệ thống vệ tinh quỹ đạo số 8), Ấn
Độ (IRNSS – Indian Regional Navigational Satellite System).

Hình 1.1: Các hệ thống định vị toàn cầu và quỹ đạo của chúng

Các hệ thống định vị vệ tinh khác nhau thì dải tần hoạt động cũng khác nhau
và ngày nay chúng đƣợc gọi với tên chung là GNSS (Global Navigation Satellite
System - Hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu)
12


1.2 Hệ thống GPS
Là hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành, và
thƣờng gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging
Global Positioning System). Mọi ngƣời đều có thể sử dụng GPS miễn phí với độ
chính xác bị giới hạn bởi các bộ gây sai số chủ động.

Hình 1.2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Vệ tinh đầu tiên của GPS đƣợc phóng vào năm 1978 và đạt đến 24 vệ tinh
(năm 1994) chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo, hoạt động ở 1575.42 MHz
trong dải UHF với công suất phát khoảng 50watts. Để xác định đƣợc chính xác vị
trí của máy thu GSP mặt đất thì tại một thời điểm máy thu phải thu đƣợc ít nhất tín
hiệu từ 3 vệ tinh.
1.3 Hệ thống GLONASS
Là hệ thống định vị toàn cầu do Nga thiết kế và điều hành. Hệ thống
GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo xung
quanh trái đất với bán kính 25.510 km.

ngữ GNSS thay vì GPS nhƣ xƣa.
Tuy nhiên trong suốt thời gian dài, GPS vẫn là lựa chọn của số đông ngƣời sử
dụng và các nhà xản suất thiết bị trên thế giới do tính mở và tính hoàn thiện của các
hệ thống định vị toàn cầu khác muộn hơn GPS, ngày nay với sự nâng cấp lớn cộng
với kết hợp với các hệ thống định vị khác (Galileo của EU), GPS đang có những cải
thiện về khả năng tích hợp và độ chính xác của dữ liệu mà hệ thống này đang cung
cấp. Sơ đồ khối của bộ thu tín hiện GPS mặt đất [2] có dạng chung nhƣ hình sau

Hình 1.5: Sơ đồ khối máy thu GNSS

Các tín hiệu cao tần của các vệ tinh GPS thu từ anten đƣợc chuyển tới bộ tiền
khuếch đại tạp âm thấp kết hợp, sau đó đƣợc trộn với tần số dao động nội VCO ở bộ
giảm tần (từ tần số băng L xuống còn khoảng 40Mhz). Sau đó tín hiệu đƣợc đƣa
qua bộ chuyển đổi tƣơng tự/số và đƣợc đƣa tới và tách ra ở bộ thu số N kênh. Mỗi
kênh số thu đƣợc từ mỗi vệ tinh đƣợc phân tách thành hai thành phần đồng pha và
thành phần lệch pha 900 sau đó đƣợc trộn với tín hiệu sóng mang và tín hiệu mã nội
của bộ thu và tín hiệu giả ngẫu nhiên nhất định. Cuối cùng các tín hiệu này đƣợc
tổng hợp và xử lý ở bộ xử lý tín hiệu băng gốc, kết quả đƣợc đƣa đến phần xử lý
định vị và hiển thị trên màn hình ngƣời sử dụng.

15


1.6 Khối dao động điều khiển bằng điện áp VCO
Nhƣ vậy để máy thu có thể hoạt động đƣợc chính xác ở dải tần nhất định, việc
tạo tần số dao động ở dải đó là rất quan trọng. Để thực hiện đƣợc điều này ngƣời ta
sử dụng bộ tạo dao động có tần số dao động thay đổi theo điện áp điều khiển gọi là
mạch dao động VCO (Voltage Control Oscillator). Từ đây về sau, trong quyển Luận
văn này, thuật ngữ VCO đƣợc sử dụng để chỉ mạch tạo dao động đƣợc điều khiển
bằng điện áp.

thể biểu diễn một bộ dao động bất kỳ nhƣ một mạng hồi tiếp tuyến tính đơn giản.
X(s)

+

Y(s)

Y1(s
)

H(s)

-

Hình 2.1: Sơ đồ mạng hồi tiếp tuyến tính đơn giản

Ta có hàm truyền đạt của bộ dao động nhƣ sau:
X(s) – Y(s) = Y1(s)
Y1(s).H(s) = Y(s)
Thay Y1(s) vào công thức dƣới ta có
[X(s) – Y(s)].H(s) = Y(s)  X(s).H(s) = Y(s).[1+ H(s)]. Vậy có
(2.1)
Trong đó X(s) là biểu diễn trong miền tần số của tín hiệu đầu vào x(t), Y(s) là
biểu diễn trong miền tần số của tín hiệu đầu ra y(t) và H(s) là biểu diễn trong miền
tần số của đáp ứng xung của hệ thống h(t).
Hệ thống sẽ dao động duy trì ở tần số f0 nào đó nếu H(s=j0) = -1, điều này
tƣơng đƣơng với:
|H(s=j0)| = +1 và
H(s=j0) = 1800



2.1.1 Tần số dao động
Mạch dao động đƣợc coi nhƣ gồm hai phần, mạch tích cực và bộ cộng hƣởng.
Bộ cộng hƣởng thông thƣờng là mạch LC mắc song song và đƣợc mô hình hóa
bằng mạch RPLC

R

L
C

Hình 2.4: Mạch dao động RLC

Trong đó RP là điện trở song song tƣơng đƣơng của khối LC (đƣợc cấu thành
từ trở kháng ký sinh của mạch LC). Mô hình này hình thành ý tƣởng rằng mạch tích
cực sẽ đóng góp một giá trị trở kháng bằng - RP để cân bằng với trở kháng song
song tƣơng đƣơng của bộ cộng hƣởng LC. Theo quan điểm năng lƣợng, mạch tích
cực sẽ bổ xung năng lƣợng tuần hoàn tiêu hao trên RP, tạo nên bộ dao động duy trì
18


Hình 2.5: Mô hình điện trở âm

Ở dao động, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu lẫn nhau và mạch tƣơng
đƣơng chỉ còn R, tần số dao động của mạch đƣợc tính bằng công thức sau



(2.3)


ID là dòng chạy từ cực D xuống cực S của transistor M1 và đƣợc tính bằng


19

(2.8)


gm là hỗ dẫn của transistor M1, đƣợc tính bằng công thức
gm =

(2.9)

Thay (2.8) và (2.7) vào (2.6) ta đƣợc




(2.10)

Thay (2.10) và (2.5) vào (2.4) ta đƣợc











𝐶

Hình 2.8: Mạch dao động cân bằng điện trở

Nhƣ vậy mạch điện coi nhƣ chỉ còn L mắc nối tiếp với

, tần số dao động

của mạch đƣợc tính bằng



√

2.1.3 Điều kiện để mạch dao động
20

(2.12)


Nhƣ đã phân tích trong phần 1, các bộ dao động muốn có dao động duy trì đều
phải thỏa mãn điều kiện về biên độ và pha theo Barkhausen (công thức 2.2). Tuy
nhiên đó là điều kiện tổng quát ban đầu của bộ dao động, ngoài ra còn phải thỏa
mãn điều kiện khác. Ta xét mô hình dao động nhƣ Hình 8, tuy nhiên thay điện trở
nối tiếp bằng điện trở song song tƣơng đƣơng Rp với công thức quy đổi theo hệ số
phẩm chất Q [3]:




biểu diễn bằng công thức sau.
x(t) = Acos(t) với chu kỳ dao động là T=2π/.
Tuy nhiên, trong thực tế, do ảnh hƣởng của tạp âm mà tần số dao động biến
đổi lên xuống ngẫu nhiên, dẫn đến chu kỳ dao động cũng thay đổi theo, nghĩa là tín
hiệu không cắt trục t ở chính xác các điểm bằng số nguyên lần chu kỳ dao động. Để
mô hình hóa tạp âm pha, chúng ta viết lại công thức dao động nhƣ sau.

21


x(t) = Acos[t + φ(t)], trong đó φ(t) là đại lƣợng pha ngẫu nhiên và đƣợc gọi
là tạp âm pha. Hình sau minh họa tín hiệu có tạp âm pha so với tín hiệu lý tƣởng
trong miền thời gian.

Hình 2.9: Tín hiệu dao động có ảnh hưởng của tạp âm pha

Từ hình trên, chúng ta cũng có thể hiểu theo khía cạnh tần số, nghĩa là tần số
dao động thay đổi một cách ngẫu nhiên do ảnh hƣởng của tạp âm (T1 ≠ T2 ≠ Tm),
giá trị tần số sẽ thay đổi xung quanh tần số dao động lý tƣởng . Chúng ta tạm thời
bỏ qua sự ảnh hƣởng do tạp âm đến biên độ của bộ dao động thì tạp âm pha có thể
đƣợc biểu diễn bằng hình sau [3].

Hình 2.10: Biểu diễn tạp âm pha trong miền tần số

Với c là tần số của bộ dao động lý tƣởng đƣợc biểu diễn bằng một xung đơn,
với tần số hài ngẫu nhiên có giá trị chạy xung quanh tần số lý tƣởng đƣợc biểu diễn
bằng hình chuông nhƣ bên phải.
Để tính toán đƣợc tạp âm pha, đã có rất nhiều mô hình tính toán đƣợc đặt ra
trong đó có mô hình hay đƣợc sử dụng đó là mô hình của Lesson [5]
L() = 10log{

d) Tạp âm nguồn cấp
e) Tạp âm từ nguồn điện áp cấp cho Varactor
Tạp âm từ các yếu tố d) và e) có thể đƣợc tối thiểu hóa bằng cách lựa chọn
nguồn cấp. Nhƣ vậy tạp âm pha của bộ dao động đƣợc xác định chủ yếu bởi hệ số
phẩm chất Q của bộ dao động và lựa chọn thiết bị tích cực. Để thiết kế mạch với hệ
số phẩm chất Q cao thì phải đánh đổi bằng dải tần số tinh chỉnh thấp, do vậy với
mạch có nhiễu pha thấp thƣờng có dải chỉnh tần nhỏ.
Các cách để hạn chế nhiễu pha đã đƣợc sử dụng nhƣ sau
a) Cực âm của nguồn cấp và nguồn điện áp tinh chỉnh phải đƣợc nối đến
điểm đất của bảng mạch in, cực đất của mạch VCO cũng phải đƣợc nối
đến cực đất của bảng mạch chính
b) Nguồn cấp với nhiễu thấp phải đƣợc sử dụng. Với nguồn ác quy một chiều
sử dụng cho cả Vcc và nguồn điện áp tinh chỉnh Vtune sẽ cho hiệu quả tốt
nhất
c) Đầu ra của bộ dao động phải đƣợc nối tốt với trở kháng tải, và nên dùng
bộ phối hợp trở kháng giữa VCO và tải bên ngoài

23


d) Phần nối đến đầu tinh chỉnh phải ngắn nhất có thể và đƣợc hàn tốt, có bảo
vệ để tránh cho VCO bị ảnh hƣởng bởi nguồn nhiễu ngoài.
2.1.5 Hệ số phẩm chất của cuộn cảm, tụ điện.
2.1.5.1 Hệ số phẩm chất của cuộn cảm
Với cuộn cảm lý tƣởng, sẽ không xảy ra sự mất mát năng lƣợng trong cuộn
cảm nghĩa là giá trị điện trở R bằng 0, tuy nhiên trong thực tế cuộn cảm luôn có giá
trị điện trở nhất định của kim loại làm nên nó, điện trở này đƣợc mô hình hóa nhƣ
một điện trở đấu nối tiếp với cuộn cảm. Điện trở này chuyển đổi năng lƣợng điện
thành nhiệt làm suy giảm tính chất của cuộn cảm. Để đánh giá chất lƣợng của cuộn
cảm, ta sử dụng hệ số phẩm chất Q, đƣợc tính bằng tỉ số giữa cảm kháng và giá trị

) ]

*

(

)(

)+

(2.21)

Trong đó Rp, Cp là điện trở và điện dung song song tƣơng đƣơng đƣợc chuyển
đổi từ mô hình nối tiếp của cuộn cảm bán dẫn. Rs, Cc là điện trở nối tiếp và điện
dung giữa cuộn cảm và phần đế của mô hình cuộn cảm bán dẫn. Công thức trên thể
hiện đƣợc các đặc tính cơ bản của cuộn cảm bán dẫn nhƣ mức dự trữ năng lƣợng,
mức tiêu hao và hệ số tự cộng hƣởng.
2.1.5.2 Hệ số phẩm chất của tụ điện
Tụ điện sử dụng trong mạch dao điều khiển bằng điện áp thƣờng là tụ điện có
điện dung biến thiên (Varactor) bằng vật liệu bán dẫn. Với một tụ điện lý tƣởng bất
kỳ, bao nhiêu điện tích nạp đƣợc ở bản cực bên này sẽ đƣợc phóng hoàn toàn sang
bản cực đối diện trong một đơn vị thời gian, nghĩa là không tiêu hao năng lƣợng.
Tuy nhiên trong thực tế luôn tồn tại phần tiêu hao đƣợc mô hình bằng điện trở nối
tiếp RS. Để đo mức độ lý tƣởng của tụ, ta đƣa ra hệ số phẩm chất của tụ nhƣ sau [3]:
Qc =

(2.22)

Thông thƣờng trong mạch điện tử, ta thƣờng hay mô hình hóa tính toán với
điện trở song song Rp, do đó ta có thể đổi từ điện trở nối tiếp sang thành điện trở