(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn môn điện tử TƯƠNG tự II mô phỏng bộ tạo dao động ở tần số 2 6 ghz cho 5g sub band bằng phần mềm ADS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
-oOo-

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II
Mô phỏng bộ tạo dao động ở tần số 2.6 Ghz cho 5G sub
band bằng phần mềm ADS

Mã lớp LT+BT: 124820 Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Đức Lâm
2. Trần Thị Băng Giang
3. Nguyễn Đình Cảnh

Hà Nội, 6/2021


MỤC LỤC
Lời nói đầu.......................................................................................................................... i
DANH SÁCH HÌNH ẢNH...............................................................................................ii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................1
1.1 Giới thiệu................................................................................................................1
1.2 Lý do chọn đề tài bộ tạo dao động........................................................................1
1.3 Khái niệm mạch tạo dao động...............................................................................2
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MẠCH TẠO DAO ĐỘNG HỒI TIẾP DƯƠNG...................3
2.1 Điều kiện để mạch dao động.................................................................................3
2.2 Đặc điểm mạch dao động.......................................................................................4
CHƯƠNG 3 : CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG..........................................................................6
3.1 Giới thiệu chung về phần mềm ADS.....................................................................6
3.2 Các bước mơ phỏng...............................................................................................6
CHƯƠNG 4. MẠCH MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ......................................................... 13
4.1 Các thông số của mạch........................................................................................ 14

4.2 Kết Quả Mô Phỏng............................................................................................... 16
4.2.1. Khoảng thời gian lúc mới đầu dao động......................................................... 16
4.2.2. Khoảng thời gian lúc sau dao động ổn định................................................... 17
4.2.3 Chu kì của tín hiệu........................................................................................... 18
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 19
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 20


Lời nói đầu
Bài báo cáo này được thực hiện nhằm trình bày q trình nhóm thực hiện bài tập
lớn mơn học Điện Tử Tương Tự II "Mô phỏng mạch tạo dao động tần số 2.6Ghz
cho 5G sub band bằng phần mềm ADS". Báo cáo nhằm tổng hợp những kiến thức
sinh viên thu được trong quá trình làm bài tập lớn đồng thời thể hiện khả năng khả
năng ứng dụng kiến thức đã học trong môn Điện Tử Tương Tự II vào thực tế.
Báo cáo gồm có:
1.

Giới thiệu chung

2.

Lý thuyết mạch tạo dao động hồi tiếp dương

3.

Mạch mô phỏng

4.

Kết quả mô phỏng

5.

Kết Luận

6.

Tài liệu tham khảo

i


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1 Sơ đồ khối mạch tạo dao động............................................................................7
Hình 2: Phần mềm ADS..................................................................................................9
Hình 3. Mơ phỏng mạch bằng phần mềm ADS........................................................... 16
Hình 4 Mạch hồi tiếp LC 3 điểm................................................................................... 17
Hình 5 Mạch khuếch đại JFET Common Gate........................................................... 18
Hình 6. Kết quả mơ phỏng thời gian từ 0–10 nsec với step 0.01 nsec.........................20
Hình 7. Kết quả mơ phỏng thời gian từ 10–20 nsec với step 0.01 nsec.......................20

ii


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu
Bài viết này mô tả thiết kế của một bộ tạo dao động điều hòa tần số 2.6GHz dựa
trên lý thuyết từ hướng dẫn cơ bản về bộ tạo dao động. Trong suốt thiết kế, các
mạch và mô phỏng ADS của Keysight Technology được đưa ra để xác minh từng
giai đoạn thiết kế và hiển thị hiệu suất dự đoán.

1.2 Lý do chọn đề tài bộ tạo dao động
Bộ tạo dao động là thành phần quan trọng trong các mạch điện, dùng để cung cấp
tín hiệu vào cần thiết cho các mạch hoạt động. Việc chọn đề tài này giúp sinh viên
hiểu rõ hơn việc các tín hiệu đầu vào được tạo ra như thế nào, là kiến thức thú vị và
khác biệt với các mạch điện khác mà sinh viên đã học làm việc với tín hiệu đầu vào
có sẵn để tạo ra đầu ra tương ứng.

1.3 Khái niệm mạch tạo dao động
Mạch tạo dao động là các mạch điện tử tạo ra dạng sóng tuần hồn liên tục ở một
tần số chính xác.
Mạch tạo dao động chuyển đổi một đầu vào DC (điện áp cung cấp) thành đầu ra
AC (dạng sóng), có thể có một loạt các hình dạng và tần số sóng khác nhau phức
tạp về bản chất hoặc sóng hình sin đơn giản tùy thuộc vào ứng dụng.
Mạch tạo dao động có thể tạo ra các dạng xung khác nhau như xung hình sin, xung
hình chữ nhật, xung tam giác, xung răng cưa, … Xung hình sin được lựa chọn vì
đây là dạng dao động cơ bản.
Các mạch dao động hình sin thường được dùng trong các hệ thống thơng tin, trong
các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế ... Các phần tử tích cực dùng để
tạo dao động như đèn điện tử, transistor lưỡng cực, FET, KĐTT, hoặc như diode
tunel, diode gunn.
-

Đèn dùng khi cần công suất ra lớn, tần số từ thấp đến rất cao.

-

KĐTT khi tần số yêu cầu thấp và trung bình.

-

Transistor khi tần số yêu cầu caoTham số cơ bản của mạch dao động
1


-

Tần số dao động.

-

Biên độ điện áp ra.

-

Độ ổn định tần số dao động (nằm trong khoảng 10- 2 ÷ 10- 6)

-

Cơng suất ra.

-

Hiệu suất của mạch.

•

Ngun tắc cơ bản để tạo mạch điều

hòa - Tạo dao động bằng hồi tiếp dương.
- Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch.

Chúng em quyết định sử dụng mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương.

2


CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MẠCH TẠO DAO ĐỘNG
HỒI TIẾP DƯƠNG
2.1 Điều kiện để mạch dao động

Hình 1 Sơ đồ khối mạch tạo dao
động (A): Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại : K = K.e jφ k
(B): Khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt : K ht=Kht.e jφht

Ta có tín hiệu đầu vào X v đi qua khối khuếch đại K tạo ra tín hiệu X r.
Tín hiệu X r thơng qua khối Kht để tạo thành tín hiệu hồi tiếp X ' r.
Khi X v bằng X ' r ta có thể nối hai điểm a và a' vào nhau và tín hiệu tạo thành một
vịng tuần hồn khép kín tạo nên dao động của mạch.
Vậy điều kiện để mạch dao động là:
X ' r=¿ X v => K * Kht = 1

Hay là: K . K ht . e j (φk+ φht) = 1
3


Trong đó :
K : module hệ số khuếch đại
Kht : module hệ số hồi tiếp

φk : góc pha của bộ khuếch đại
φht : góc pha của mạch hồi tiếp

φ :tổng

dịch pha của bộ khuếh đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa
X r và X v.
'

Biểu thức (1) : điều kiện cân bằng biên độ, cho biết mạch chỉ có thể dao động khi
hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra.
Biểu thức (2) : điều kiện cân bằng pha cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi
tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào.
Năng lượng để mạch dao động lấy từ nguồn cấp một chiều. Mạch chứa ít nhất một
phần từ tích cực để biến năng lượng một chiều thành xoay chiều.
Thông số được chọn của mạch dùng để mô phỏng:
Tần số của mạch dao động f = 2.6Ghz.
Chọn mạch cộng hưởng LC song song 3 điểm do mạch có thể hoạt động ở
tần số cao.
Điều kiện để mạch dao động:
LC 3 điểm C1 ,C2 , L3 : φfb=0 °
Mạch khuếch đại có φ=0 °

2.2 Đặc điểm mạch dao động
Đặc điểm của mạch dao động :
Mạch dao động cũng là một mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều
khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ
nguồn cung cấp một chiều.
1.

2.

Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và pha.
4


3.

Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng

một chiều thành xoay chiều.
4.

Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho

biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

5


CHƯƠNG 3 : CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG
3.1 Giới thiệu chung về phần mềm ADS
Advanced Design System (ADSTM): Advanced Design System là công ty hàng
đầu trong ngành thiết kế miền tần số cao, hỗ trợ các hệ thống điện tử và các kỹ sư
thiết kế RF phát triển tất cả các loại thiết kế RF, từ đơn giản đến phức tạp nhất, từ
các mơ-đun RF hoặc vi sóng để được tích hợp MMIC cho các ứng dụng liên lạc và
hàng không vũ trụ .

Hình 2: Phần mềm ADS

3.2 Các bước mơ phỏng
Phần này nhóm chúng em sẽ cho thấy được rõ hơn các bước để mô phỏng mạch

tạo dao động ở tần số 2.6 Ghz cho 5G sub band bằng phần mềm ADS .


Bước 1 : Tạo 1 workspace mới :
Vào File → New → Workspace

6


Đặt tên cho workspace là Mach_tao_dao_dong , chọn mục lưu
trữ bất kỳ sao cho dễ tìm rồi click Create Workspace



Bước 2 : Tạo một Schematic mới :
Từ màn hình chính, chọn File → New → Schematic Đặt tên cho
ô Cell là Schematic rồi click Create Schematic

7




Bước 3 : Vẽ mạch tạo dao động :
Trong màn hình của Schematic, Nhìn sang bên trái và lấy các linh kiện
cần thiết cho mạch như : R , L , C , J-FET, Nguồn , DC_Feed , Transient
và Hamornic balance

8

Sau đấy, Chúng ta ta sẽ vẽ được mạch như hình :

9




Bước 4 : Vẽ mạch mô phỏng :
Từ mạch đã vẽ, chọn Stimulate trên thanh công cụ, click vào Stimulate
để chạy mô phỏng mạch
Sau khi chạy mô phỏng, hộp thoại mới xuất hiện. Sau đấy click vào
Rectangular plot để xuất hiện , rồi Add TRAN.Vout rồi click vào OK :

10


Sau đấy, chúng ta sẽ được đồ thị mô phỏng bộ tạo dao động :

11


CHƯƠNG 4. MẠCH MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

Hình 3. Mơ phỏng mạch bằng phần mềm ADS

12


4.1 Các thơng số của mạch

Hình 4 Mạch hồi tiếp LC 3 điểm
Tính thơng số LC:

 Y 1+Y 2+Y 3=0 ⇒−
⇒ ω0=

√

1

∗(

L3

1

+

1

)=2 πf

C1 C2

Mạch dao động điều hòa với f = 2.6GHz = 2.6∗109 Hz
Ch ọn C1=10 pF ,C2=30 pF

⇒ L3=

10∗10

−12

→ kfb=

13


Hình 5 Mạch khuếch đại JFET Common Gate
Tính thơng số tầng khuếch đại:
Do tần số cộng hưởng f 0=2.6 GHz nên cần sử dụng JFET cho tầng
khuếch đại.
Điều kiện dao động điều hòa:
 φfb∗φ=0 °⇒ φ=0 °


k

k 1

fb

∗ = ⇒

k

=

4

1 = gm*R1

=> Khuếch đại GC thỏa mãn 2 điều kiện trên nếu ta chọn R2 = 100
Ohm với gm = 1/25.R1 ảnh hưởng đến trở kháng ra của mạch khuếch
đại do Zout = R2//(1/gm). R1 được chọn bằng 300 ohms để đảm bảo đủ
lớn so với 1/gm
14


4.2 Kết Quả Mô Phỏng
4.2.1. Khoảng thời gian lúc mới đầu dao động

Hình 6 : Kết quả mơ phỏng thời gian từ 0-10 nsec với step 0.01nsec

15


4.2.2. Khoảng thời gian lúc sau dao động ổn định

Hình 7. Kết quả mô phỏng thời gian từ 10–20 nsec với step 0.01 nsec

16


4.2.3 Chu kì của tín hiệu

Hình 6 : Chu kì tín hiệu là 0.39 ns


Nhận xét : Lúc đầu, từ 0 – 5 ns mạch dao động chưa ổn định, sau đấy từ 5

ns trở đi, mạch dao động điều hịa, ổn định với chu kì 0.39 ns , đúng với lí
thuyết tần số 2.6 Ghz mình đã đặt ra.

17


KẾT LUẬN
Qua mơ phỏng, nhóm nhận thấy tần số mạch nhận được giống như tính tốn lý
thuyết, và đồ thị Vout có dạng hình sin. Cũng qua bài tập lớn lần này mà cả nhóm
được tìm hiểu thêm và ứng dụng các kiến thức trên lớp cũng như biết được thêm
cách sử dụng công cụ mô phỏng mới. Tuy nhiên do chưa tiếp xúc nhiều với phần
mềm ADS nên trong q trình mơ phỏng cịn gặp nhiều khó khăn do nhiều tham số
và nhiều lúc vẫn sử dụng không đúng linh kiện cần mô phỏng.
Xin cảm ơn thầy Nguyễn Anh Quang đã giúp đỡ chúng em hiểu rõ hơn về các
kiến thức trong môn Điện tử tương tự II, chúc thầy nhiều sức khỏe và tiếp tục công
tác thật tốt!

18


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Microwave Engineering David.M.Pozar 4ed_Wiley_2012

2.

Dr. Nguyen Anh Quang, Slides Electronic Curcuit II

3.

Behzad Razavi - RF Microelectronics (2011, Prentice Hall)

19