Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao tần và công nghệ gia công mạch dải nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

Bộ KH & CN Bộ quốc phòng
Trung tâm KhKt - CnQs
Viện Rađa


Đề tài độc lập cấp Nhà nớc:

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và
tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu
cao tần và công nghệ gia công mạch dải.


báo cáo tổng kết chuyên đề
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo
các bộ dao động bán dẫn VCO

M số: ĐTĐL- 2005/28G
Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Ngọc Minh



6715-5
11/01/2007


Hà Nội - 2007
Bản quyền 2007 thuộc Viện Rađa
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trởng Viện Rađa
trừ trờng hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu.

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

1
Mục lục

Bảng các từ viết tắt 3
Chơng I: Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao
tần và các giải pháp thiết kế chế tạo 4

1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm) 5
1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 8
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm 9
1.4. Các bộ dao dộng transistor 18
1.5. Các bộ dao động có thể điều hởng 23
1.6. Bộ dao động siêu cao tần trên mạch dải 28
1.7. Bộ dao động điốt dùng trên dây đồng trục 29
1.8. Bộ dao động điốt siêu cao tần trên ống dẫn sóng hình chữ nhật 31
1.9. Bộ dao động dùng nhiều điốt 32

Chơng II: Phơng pháp thiết kế chế tạo Bộ dao động
điều khiển bằng điện áp (VCO) 33
2.1.Phơng pháp thiết kế bộ dao động transitor sử dụng các tham số tín hiệu nhỏ
S 33
2.1.1. Lý thuyết chung 33
2.1.2. Các bớc thiết kế 36
2.2. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động VCO trên ống sóng dùng điốt
Gunn và điốt Varactor 46
2.3. Phơng pháp thiết kế chế tạo bộ dao động trên mạch dải sử dụng điốt Gunn
và điốt varactor 51
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.

Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




2

Chơng 3: Phân tích Các yếu tố gây ảnh hởng đến độ
ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
một số giải pháp nâng cao tính ổn định 54
3.1. ổn định tần số có mấy phơng pháp chính sau 54
3.2. Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần 56
3.3. Phơng pháp ổn định sử dụng hốc cộng hởng có hệ số phẩm chất cao 58
3.4. Phơng pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking) 59
3.5. ảnh hởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định 60
3.6. ảnh hởng thay đổi nhiệt độ và các phơng pháp ổn định 61

3.7. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật và giải pháp công nghệ để thực hiện bộ VCO
dải sóng cm 65
Kết luận 66
Tài liệu tham khảo 67

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




3

Bảng các từ viết tắt:
SCT: Siêu cao tần.
cw: Continous Wave: Sóng liên tục.
DUT: Device Under Test: Đối tợng kiểm tra.
IMPATT: IM Pact Avalanche Transit-Time Diode.
TRAPATT: Trapped-Plasma Avalanche Transit Time.
BARITT: Barrier Injection Transit Time).
MIC: Micro IC.
PCB: Printed Circuit Board: Bo mạch in.
RF: Radio Frequency: Tần số vô tuyến.
SMD: Surface Mount Divice: Dụng cụ lắp ráp bề mặt.
SPDT: Single Pole - Double Throw: Một cực hai đầu ra.
SMO: solid-state microwave oscillator.

VCO: Voltage Control Oscillator.




















Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




4

Chơng 1
Tổng quan các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và
các giải pháp thiết kế chế tạo

Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ nh trong các đài ra đa,
trong thông tin viễn thông, trong điện thoại, trong các hệ thống điều khiển, trong
điều trị chữa bệnh, trong điều khiển giao thông vv
Mạch dao động siêu cao tần (SCT) đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau nh trong truyền tin, truyền hình, điều khiển tính toán, điều hành giao
thông, hàng hải, nông nghiệp, y học hiện đại.v.v. Trong quân sự đợc ứng dung
trong thông tin liên lạc, phòng không, không quân, hải quân.
Tuỳ theo yêu cầu và chức năng của từng thiết bị mà bộ dao động siêu cao
tần có thể đợc thiết kế với đèn điện tử nh klistron, magnetron, có thể dùng bán
dẫn nh transsitor lỡng cực (bipolar), transistor trờng (FET), hoặc các loại điốt
có trở kháng âm nh điốt TUNNEL, điốt IMPATT (Impact Avalanche and
Transit Time), điốt TRAPATT (Trapped-Plasma Avalanche Transit Time), điốt
BARITT (Barrier Injection Transit Time), điốt GUNN.
Ngày nay các bộ dao động bán dẫn SCT (viết tắt là SMO: solid-state
microwave oscillator) với u điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế
độ làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực, ví dụ trong các mạch định thời gian, trong kỹ thuật số và trong các mạch
trộn tín hiệu Nó còn đợc dùng trong chức năng quan trọng khác đó là các bộ
dao động tại chỗ trong các máy thu phát thay thế cho các bộ dao động dùng đèn
điện tử cồng kềnh, tuổi thọ và chất lợng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều
nguồn, khó điều chỉnh. Các bộ SMO tạp thấp đóng vai trò rất quan trọng trong
các hệ thống rađa và thông tin[1].
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã đợc các nớc trên thế giới phát
triển từ những năm 1970. Có thể chia các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần làm
hai loại chính:

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




5
- Các bộ dao động điốt trở kháng âm (nh GUNN và IMPATT) thực
hiện trong hốc cộng hởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO.
- Bộ dao động VCO đợc thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn trờng
hoặc bán dẫn Bipolar và điốt Varactor.
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có u điểm là kích thớc bé, có độ
ổn định cao, tạp nhỏ và cấp nguồn rất đơn giản, các bộ dao động này có thể sử
dụng làm máy phát (có sử dụng kỹ thuật cộng công suất). Tuy nhiên, công suất
ra cực đại có thể đạt đợc với mỗi bộ dao động là giới hạn (khoảng 500-
750mW liên tục đối với điốt Gunn băng tần X). Mặc dù với điốt IMPATT có
thể đạt đợc mức công suất ra lớn hơn nhng điốt GUNN vẫn thờng đợc sử
dụng hơn vì có u điểm là tạp nhỏ hơn.
Vì những u điểm nêu trên các bộ dao động điốt GUNN thờng đợc sử
dụng làm dao động ngoại sai trong các đài rađa và trong các máy thu, vì đòi hỏi
mức công suất ra rất thấp chỉ 10 mW (ví dụ:ở đài rađa K8-60 công suất đi
đến 4 điốt trộn tần chỉ cần >2mW). Trong trờng hợp muốn có nguồn phát chất
rắn siêu cao tần có mức công suất ra lớn hơn ngời ta phải sử dụng các kỹ thuật
cộng công suất khác nhau (cộng trong hốc cộng hởng hoặc trên mạch dải) để
cộng các đầu ra của vài bộ dao động.
Trên thế giới đã chế tạo đợc rađa dải sóng mm (dải tần phủ từ 30GHz-
300GHz) có máy phát bán dẫn công suất lớn .
Các bộ dao động bán dẫn SCT ở dải centimet và milimét thờng đợc làm
trên hốc cộng hởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì thờng

làm trên mạch dải Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần đợc sử dụng làm dao
động ngoại sai trong các đài rađa thờng đợc thực hiện dới dạng VCO
(Voltage Controlled Oscillator: bộ dao động điều chỉnh điện áp), các bộ VCO
này có thể điều chỉnh tần số dao động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi
điện áp cấp cho Varactor.
1.1 Khái quát về các điốt bán dẫn siêu cao tần (trở kháng âm)
Điốt bán dẫn siêu cao tần đợc phân thành:
- Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




6
- Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi
- Điốt có trở kháng có thể điều khiển đợc (điốt Pin).
- Điốt có trở kháng âm: điốt TUNNEL, IMPATT, TRAPATT BARITT
và GUNN
Điốt Varisto (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm, điốt nghịch đảo và đa số
điốt có hàng rào schottky) đợc dùng để: tách sóng, biến đổi dới, giải điều chế,
bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh lu.
Điốt Varactor do có điện dung phi tuyến thay đổi đợc khá nhanh, tổn
hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto viên đợc dùng làm: bộ dao động sóng hài, bộ
điều chế hoặc biến đổi trên, các bộ khuếch đại có tạp âm bé, tạo dao động và tạo
xung.
Điốt có trở kháng có thể điều chỉnh đợc: Độ dẫn điện của các điốt này
hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lợng các hạt mang điện không cơ bản đợc tích luỹ.
Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của nó

thể điều khiển đợc bằng thiên áp một chiều hoặc thiên áp âm tần ngoài Chúng
đợc dùng ở đảo mạch siêu cao tần; Bộ quay pha, bộ hạn chế công xuất, bộ điều
chế siêu cao tần công suất, các bộ suy giảm biến đổi để điều khiển biên độ tín
hiệu.
Điốt siêu cao tần có trở kháng âm. Hiện nay chủ yếu dùng để khuếch đại
và tạo dao động siêu cao tần. Có ít nhất 3 loại tuỳ thuộc vào hiệu ứng đờng hầm
(điốt Tunnel) hiệu ứng tạo thành thác lũ khi ion hoá do va trạm và thời gian bay
(điốt Impatt, điốt Barrit) và hiệu ứng Gunn (điốt Gunn).
Điốt Tunnel do có tạp âm bé nhng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc
không cao nên đợc dùng chủ yếu làm ngoại sai tại chỗ trong các máy thu ngoại
sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ đảo mạch công
suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên.
Điốt gunn và điốt thác lũ do cờng độ điện trờng cao, năng lợng động
học của điện tử lớn hơn nhiều năng lợng nhiệt của chúng. Lúc đó các điện tử
này gọi là điện tử "nóng", còn các bộ dao động và bộ khuếch đại bằng điốt thác
lũ và điốt Gunn đợc gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng". Cả hai loại điốt siêu
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




7
cao tần này so với dụng cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích
thớc, trọng lợng nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên
ngày càng đợc áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật siêu cao tần để làm các bộ dao
động.
Điốt siêu cao tần ở sơ đồ tạo dao động là mạng hai cực phi tuyến có trở
kháng tích cực âm biến đổi nguồn năng lợng nguồn một chiều thành năng

lợng dao động siêu cao tần. Việc biến đổi năng lợng đợc thực hiện do tơng
tác của dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) với điện
trờng xoay chiều. Về mặt vật lý điốt tạo dao động là lớp phẳng chất bán dẫn tạo
thành khoảng giữa điốt, giữa hai đầu cực là các đầu đa ra (Anốt, Katốt) giới hạn
không gian tơng tác (hình 1.1).
Hai đầu cực
Khoảng giữa điốt

E(x,t)

V


Hình 1.1
Các hạt mang điện tích đợc tạo ra bên trong khoảng giữa hoặc đợc bắn
ra từ các đầu cực và chuyển động dới các điện trờng đợc tạo ra bởi điện áp
ngoài đặt vào các đầu cực cũng nh các điện tích bên trong khoảng giữa điốt.
Quá trình biến đổi năng lợng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với dụng cụ chân
không là nó có hàng loạt đặc điểm đợc quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện
tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng nh cờng độ điện trờng có
thể thay đổi theo không gian và thời gian do thay đổi điều kiện bên trong và bên
ngoài (vật liệu và cấu trúc bán dẫn, điện áp hoặc dòng điện đặt vào các đầu cực).
ở các điều kiện xác định, có thể xuất hiện quá trình điện tử khác nhau ở khoảng
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

8
giữa điốt làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa
điốt tạo dao động siêu cao tần.

1.2. Khái quát các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có thể chia ra làm hai nhóm: bộ dao
động điốt điện trở âm và bộ dao động tranzistor. Ngày nay hai nhóm này vẫn
luôn luôn cạnh tranh với nhau trong các lĩnh vực ứng dụng.
Các yêu cầu
Các mạch có một cửa, tạo ra các tín hiệu hình sin đều đợc gọi là các bộ
dao động. Các bộ dao động này là các nguồn tín hiệu không thể thiếu trong các
hệ thống đo và truyền thông tin siêu cao tần. Các bộ dao động này có thể có tần
số cố định hoặc điều tần. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài chúng tôi chỉ đi
sâu nghiên cứu các bộ dao động có tần số cố định. Các đặc trng chính của các
bộ dao động này là:
a) Tần số làm việc
b) Công suất ra
c) Hệ số phản xạ riêng
Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng còn có thể liệt kê thêm nhiều yêu cầu
khác vào phần trên. Nhng thờng thì độ ổn định tần số, tạp của bộ dao động, độ
sạch của phổ tần dao động là quan trọng hơn cả. Trong một số ứng dụng đôi khi
độ ổn định biên độ dao động cũng quan trọng.
Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần (SCT) có u điểm kích thớc bé
và đòi hỏi cấp nguồn đơn giản có tạp bé. Có nhiều phơng pháp thiết kế chế tạo
bộ dao động bán dẫn SCT: trên ống sóng dùng điốt gunn, điốt varactor trên mạch
dải sử dụng bán dẫn trờng hoặc điốt Gunn và điốt varactor.
Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm
hai nhóm sau:
a) Các bộ dao động điốt điện trở âm.
b) Các bộ dao động transitor.

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




9
1.3. Các bộ dao động điốt điện trở âm
Trong rất nhiều dụng cụ bán dẫn 2 cực có điốt điện trở âm trong dải siêu
cao tần (ví dụ nh điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv ). Để tạo đợc mạch
dao động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng hởng và nối tải với
nó [1].
Các điốt điện trở âm thờng có thể đặc trng bằng một điện trở âm phụ
thuộc vào mức đợc mắc song song hoặc nối tiếp với một phần tử điện kháng có
giá trị cố định (hoặc trong các khảo sát chính xác hơn: cũng phụ thuộc vào mức)
(hình 1.2).




Hình 1.2: Sơ đồ tơng đơng mạch một cửa điện trở âm
Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Y
d
của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu
thức sau:

(
)

(
)
2
0
2
0
11 UCjUGCjGY
ddd

++=+= (1.1)
Trong đó G
0
là hỗ dẫn tín hiệu bé, C
0
là dung kháng tín hiệu bé, U là giá
trị hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt. Nhiều trờng hợp ta mô tả bằng mạch
tuơng đơng mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ nh sau:

(
)
(
)
2'
'
0
2'
0
'
1
1

1
1
I
Cj
IR
Cj
RZ
d
dd




++=+= (1.2)
trong đó R
0
là điện trở âm tín hiệu bé, C
0
là giá trị tín hiệu bé của tụ mắc
tơng đơng mắc nối tiếp và I là giá trị hiệu dụng dòng sin chảy qua điốt.




Hình 1.3: Sơ đồ tơng đơng của bộ dao động điện trở âm
đã đợc đơn giản hoá
C

d
R

d
C
d
G
d
L
P
G C
P
C
d
G
d
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




10

Trong bộ dao động ở hình 1.3 gắn với 1 điốt là một mạch cộng hởng và
một tải Nếu ta mắc với mạch cộng hởng song song khi đó ta phải sử dụng mạch
tơng đơng mắc song song.
Trong trờng hợp mạch cộng hởng song song phơng trình cân bằng sẽ
là:

0)(
=

+
YUY
d
(1.3)
Từ phơng trình trên về lý thuyết có thể xác định đợc tần số và biên độ.
Khai triển phơng trình (1.3) ta có thể tiến hành phân tích nghiệm của
mạch cộng hởng song song.

(
)
GUG =
2
0
1

(1. 4)

(
)
P
pd
L
CUC


1
1
2
0
=+

(1.5)
Bằng phơng pháp tơng tự có thể phân tích với mạch mắc nối tiếp, ta
không đi chi tiết ở đây.
Công suất do điốt sản sinh ra sẽ là:

(
)
22
0
2
1 UUGGUP

==
(1. 6)
Giá trị cực đại của nó sẽ là:


4
0
max
G
P =
(1.7)
Giá trị cực đại của G phẳng do vậy việc điều chỉnh để đạt giá trị công suất
cực đại đơn giản

Hình 1.4: Sự phụ thuộc vào điện áp của dẫn nạp âm

U
G
0
-G
d
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




11
Cần lu ý rằng chúng ta có thể tính cả tổn hao của các điốt bằng cách
cộng chúng vào tải G. Bằng phơng pháp phân tích này và có sửa đổi chút ít ta
có thể khẳng định rằng trong trờng hợp có tổn hao vị trí công suất cực đại sẽ bị
lệch một chút về phía có ghép lỏng hơn và công suất sẽ bị giảm.
Đối với tín hiệu nhỏ có tần số dao động
0
:

()
0
0
1
dPP
CCL +

=

(1.8)
Nếu 0 khi điện áp tăng tần số sẽ giảm.
Sau khi cấp nguồn cho bộ dao động và trong mạch có điện trở âm thì dao
động luôn luôn xuất phát từ tạp và có biên độ tăng theo hàm mũ. Hàm dẫn
tơng ứng với phơng trình (1.1) đợc vẽ ở hình 1.4. Điều kiện dao động G
0
> G,
và trong quá trình dao động biên độ luôn luôn tăng cho tới khi giá trị
G
d
> G. Bằng phơng pháp này ta có thể đa vào điểm làm việc
ở mạch tơng đơng nối tiếp điều kiện dao động sẽ là: R
0
> R.
Theo hình 1.4 trong trờng hợp phụ thuộc vào mức thì điểm làm việc sẽ
ổn định, đó là sau khi bị thay đổi nó sẽ quay trở lại vị trí cũ. ở các bộ dao động
đôi khi nếu sự phụ thuộc vào mức không có dạng đơn điệu nh ở hình 1.4 điểm
làm việc liên quan đến tải sẽ không ổn định, đó là sẽ xuất hiện hiện tợng từ trễ.
Một trong các vấn đề quan trọng của bộ dao động siêu cao tần là giá trị
cực đại của công suất đầu ra. Có ba yếu tố cơ bản hạn chế công suất ra của bộ
dao động điốt siêu cao tần:
+ Vận tốc trôi lớn nhất của chuyển động các hạt mang điện tích trong vật
thể rắn và tỉ số V
ng
/V
bh
.
+ Giá trị cờng độ điện trờng cho phép lớn nhất ở vận liệu bán dẫn, nó

phải nhỏ hơn giá trị E
đt
(cờng độ điện trờng khi đánh thủng bán dẫn).
+ Nhiệt độ cho phép lớn nhất làm nóng cấu trúc dán dẫn và vấn đề tỏa
nhiệt cho điốt liên quan tới tham số này.
Đặc tính chung của điốt siêu cao tần (trở kháng âm) là chuyển động của
những hạt mang điện tích qua không gian bay chiều dài L. Chính trong không
gian bay, các hạt mang điện tích tơng tác với điện trờng ngoài và trong các
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




12
điều kiện xác định dẫn tới tạo dao động hoặc khuếch đại dao động siêu cao tần.
Đây là tính chất chung cho phép tìm thấy biểu thức xác định công suất cực đại
của chúng. Ta có công suất dao động [1].

e
cp
ee
m
R
cpU
R
U
R
U

P
1
2
0
2
1
2
0
2
1
2
1
222


=== (1.9)
ở đây: R
1e
. Trở kháng tơng đơng của tải bằng môđun trở kháng tích
cực âm tơng đơng của điốt ở hài bậc 1 của tín hiệu.
U
m
- Biên độ điện áp siêu cao tầnở các đầu cực của điốt.
U
0
- Điện áp một chiều đặt vào điốt.
U
cp0
- Giá trị điện áp một chiều cho phép lớn nhất đối với loại điốt
đã cho.

= U
m
/U
0
;
cp
= U
m
/U
cp0

Điện áp một chiều: U
cp0
= E
cp0
. L = K
đt
. E
đt
. L (1.10)
ở đây: E
cp0
- Giá trị cho phép lớn nhất của cờng độ điện trờng một
chiều.
E
đt
- Cờng độ điện trờng đánh thủng loại vật liệu điốt bán dẫn đã
cho.
K
đt

- E
cp0
/E
đt
< 1 Hệ số dự phòng.
L - Độ dài không gian bay của điốt.
Thế (1-2) vào (1-1) ta có P
1
= (K
đt
. E
đt
L)
2
/2R
1e
(1.11)
L =
b
V
tr
=
f
V
f
V
bhbtrb

22

=
(1.12)
ở đây:
b
= L/V
tr
là thời gian chuyển động của các hạt mang điện qua
không gian bay.
V
tr
: Vận tốc trôi trung bình của các hạt mang điện.

b
=
b
goc bay; là vận tốc tín hiệu.
= V
tr
/V
bh
hệ số của vận tốc trôi
V
bh
: là vận tốc của những hạt mang điện tích khi bão hoà.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

13
Thay (1.12) vào (1.11) ta có:
P
,
R
1e
f
2
= (
cp
K
đt
.
b
E
đt
V
bh
)
2
/8
2
(1.13)
Thờng vật liệu của điốt (trở kháng âm) là Si và GaAs có các giá trị E
đt
=

300KV/cm và V
bh
= 10
7
cm/s nên.
P
1
R
1e
f
2
10
5
(
cp
K
đt

b
)
2
(1.14)
ở đây: f là tần số có thứ nguyên là GHz.
Để phần lớn công suất P
1
đợc truyền ra tới tải cần phải bảo đảm
R
1e
>>R
th

. ở đây R
th là
điện trở tổn hao tích cực của điốt và mạch điện. Thờng R
1e

= 5
ta có: P
1
f
2
2.10
4
(
cp
K
đt
.
b
)
2
(1.15)
Do vế trái của biểu thức (1.13) và (1.15) không đổi nên nếu tăng tần số,
công suất cực đại của điốt sẽ giảm theo bình phơng của tần số. Điều này liên
quan đến giảm chiều dài của không gian bay do thực hiện yêu cầu sau: Cờng độ
điện trờng cần phải nhỏ hơn giá trị đánh thủng E
đt
. Mặt khác theo (1.13) và
(1.15) công suất của điốt tỷ lệ với bình phơng góc bay
b
. Tất cả các biểu thức

có tính chất định tính và đúng trong dải tần xác định. Từ các biểu thức (1.14),
(1.15) công suất của điốt có thể tăng do tăng góc bay
b
với điều kiện không dẫn
tới giảm tần số dao động. Tăng
b
kéo theo tăng tỷ lệ thuận độ dài không gian
bay L (1.12) và cho phép tăng công suất ra của điốt (1.11).
Yếu tố thứ 3 hạn chế công suất ra là nhiệt độ cho phép lớn nhất của vật
liệu bán dẫn. Cộng với điện trở nhiệt của điốt nó xác định công suất P
T
= T/R
T

có thể đa ra qua bộ toả nhiệt. Đối với Si và GaAs có thể lấy hiệu nhiệt độ của
bán dẫn và bộ toả nhiệt T = 300
o
C.
Công suất bán dẫn: P
tt
= P
0
- P
1
(1.16).
ở đây: P
0
và P
1
là công suất tiêu thụ và công suất đa ra. P

tt
cần không lớn
hơn P
T
. Do vậy ở chế độ làm việc liên tục ta có:

T
R
T
P





1
1
(1.17)
ở đây: = P
1
/P
0
là hiệu suất.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

14
Điện trở nhiệt là tổng điện trở nhiệt của bán dẫn, của phần tiếp xúc và của
bộ toả nhiệt. Do điện trở nhiệt của bản dẫn là lớn nhất nên ta có:
R
T
L/2SK
T
(1.18)
ở đây: S là diện tích của bán dẫn; K
T
là hệ số dẫn nhiệt.
Điện dung của lớp tiếp giáp: C= S/L (1.19)
ở đây: là độ thẩm điện môi còn gọi là hằng số điện môi của bán dẫn.
Thay (1.19) vào (1.18) ta có:
R
T
= /2K
T
C = X
c
f/K
T
(1.20)
ở đây: X
c
= 1/2fc là dung kháng. Để đảm bảo điều kiện tạo dao động
giống nhau trong toàn dải tần làm việc của bộ dao động điốt, X
c
cần phải

không
thay đổi.
Thay (1.20) vào (1.17), tìm công thức tính lớn nhất với tần số dao động ở
chế độ làm việc liên tục:

c
T
X
TK
fP


)1(
1


= (1.21)
Hiển nhiên rằng ở chế độ làm việc xung P
1
sẽ lớn hơn. Khi xung có độ
trống lớn độ rộng xung bé (ở giới hạn vài às) biểu thức (1.21) có thể coi là công
suất trung bình của bộ dao động ở chế độ làm việc xung.
Từ phân tích trên ta nhận đợc hai biểu thức khác nhau cho giá trị công
suất cực đại của bộ dao động điốt. Trong trờng hợp 1, xuất phát từ giá trị cho
phép của cờng độ điện trờng và vận tốc trôi lớn nhất của hạt mang điện tích,
theo (1.13) - (1.15) công suất dao động lớn nhất sẽ là.
P
1
= K
1

/f
2
, ở đây K
1
= const.
ở trờng hợp thứ hai mối quan hệ này trên mặt phẳng toạ độ, có tung độ
là P
1
, hoành độ là f theo tỷ lệ lôgarit (hình 1.5).




Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




15
P
1
[W]
10
2

A
'
B

'

10 2
1 B
10
-1
1
10-2 C
1 10 100 f[GHz]

Hình1.5
Chúng cắt nhau ở điểm B nào đó. Do phải thực hiện cả hai yêu cầu về hạn
chế công suất, công suất cực đại của bộ dao động điốt ở chế độ làm việc liên tục
cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng đi qua các điểm A-B-C. Nh vậy khi f > f
B

(hình 1.5) công suất dao động đợc xác định bằng điện áp đánh thủng và vận tốc
trôi của hạt mang điện. Khi f < f
B
đợc xác định bởi khả năng toả nhiệt cho bộ
dao động. Khi chuyển từ chế độ liên tục sang chế độ xung, sự dịch chuyển này
đợc xác định bằng giá trị độ trống và độ rộng xung đợc bức xạ. Do vậy khi
làm việc ở chế độ xung, công suất cực đại cần nằm ở miền giữa các đoạn thẳng
đi qua các điểm A
'
-B
'
-C
'
ở (hình 1.5).

Mạch và cấu tạo của các bộ dao động bằng điốt siêu cao tần.
Các yêu cầu chung đối với mạch điện từ của mạch dao động điốt là đảm
bảo tần số làm việc, chế độ làm việc, dải tần số, độ ổn định tần số, hiệu suất của
mạch cộng hởng là lớn nhất và toả nhiệt,
Tần số công tác và chế độ làm việc đã cho dợc đảm bảo bằng trở kháng
đầu vào tổng của mạch ngoài Z = R + jX cần thoả mãn các điều kiện sau đây:
1- Trở kháng của mạch cộng hởng nhìn từ hai đầu điốt phải đúng bằng
trở kháng của điốt.
2. Điện trở tổn hao của mạch cộng hởng phải bằng điện trở âm của điốt ở
tần số mong muốn R =
d
r
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




16
3. Tại các tần số khác ngoài tần số mong muốn, điện trở tổn hao phải lớn
hơn điện trở âm của điốt.
Để thảo mãn các yêu cầu trên ngời ta sử dụng hộp cộng hởng đợc tạo
ra bằng đờng truyền có độ dài xác định, ghép với điốt và tải bằng thiết bị phối
ghép đặc biệt và biến áp trở kháng, nó có thể tạo ra bất đồng nhất nào đó (đột
biến trở kháng sóng, que dò điện môi, cửa sổ điện cảm, cửa sổ điện dung) ở điện
từ trờng dầy. Để ngăn ngừa sun hoá mạch siêu cao tần bởi nguồn một chiều, bộ
lọc thông thấp đợc mắc vào giữa chúng. Nh vậy sơ đồ khối chung của bộ dao
động điốt có dạng nh hình 1.6.
Tới nguồn một chiều

Hình 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của bộ dao động điốt.

Hoàn thành theo cấu tạo các phần tử của sơ đồ này phụ thuộc chủ yếu vào
loại hộp cộng hởng, tuy nhiên trong mỗi trờng hợp cần tuân theo một số
nguyên tắc chung đợc xác định bởi đặc tính riêng của điốt. Tổn hao ở mạng
điện từ tăng lên mạnh do điện trở tổn hao của điốt T
th
lớn hơn nhiều tổn hao
riêng của mạch thụ động và do điện trở âm của điốt là khá nhỏ (r
đ
10) nên
giá trị thực của hiệu suất mạch cộng hởng thờng không cao
K
0,5 - 0,6.
ý nghĩa quan trọng đối với bộ dao động điốt bán dẫn siêu cao tần là
phơng pháp gá đặt điốt và hộp cộng hởng sao cho điện trở tiếp xác là nhỏ nhất
và toả nhiệt lớn nhất. Thông thờng để gá đỡ điốt ngời ta dùng kẹp đàn hồi, nó
đợc kẹp chắt vào giá đỡ bằng êcu đợc đặt ở thánh kiên cố nhất của hộp cộng
hởng. Tiếp xúc của điốt với đầu kẹp đàn hồi đợc thực hiện trên bề mặt sờn
của vỏ điốt khi áp suất tiếp xúc không nhỏ hơn 10
7
Pa. Toả nhiệt tốt đợc đảm
Bộ lọc tần
thấp

Thiết bị ghép
với điốt
Hộp cộng
hởng
Biến áp
trở kháng
Thiết bị ghép
với đài
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




17
bảo bằng mối hàn của điốt với giá đỡ bằng đồng, cho phép giảm nhiệt độ làm
việc của điốt tức là tăng giá trị cho phép của dòng cung cấp và công suất ra của
bộ dao động hoặc là khi dòng I
0
< I
0cp
làm tăng độ tin cậy của nó
Độ ổn định chế độ làm việc của bộ dao động điốt là không có đột biến
biên độ và tần số của dao động ở đầu ra mà chúng có thể xuất hiện do tự kích
dao động ký sinh. Vấn đề là ở chỗ, ở các dải sóng cm và mm thực tế là không
thể dùng mạch điện từ một mạch cộng hởng, nhiều mạch cộng hởng. Sự xuất
hiện các cộng hởng phụ (ký sinh) ở các tần số khác với tần số công tác là do
ảnh hởng của các tham số điện kháng của vỏ điốt, phối hợp không chính xác
với tải, có cộng hởng không gian (mốt dao động) trong các hệ thống phân bố

Do vậy, sơ đồ tơng đơng đầy đủ của bộ dao động điốt luôn nhiều mạch cộng
hởng và điện trở đầu vào của nó phụ thuộc vào tần số, ngoài ra các phơng trình
cân bằng pha đợc thực hiện ở mỗi một tần số cộng hởng riêng của sơ đồ. Bởi
vì điện trở âm của điốt ở dải khá rộng thì ở một số trong số các tần số này cóthể
tự kích dao động ký sinh nến đầu vào trở kháng tích cực của sơ đồ ở tần số này
thoả mãn phơng trình cân băng biên độ. Tự dao động ký sinh xuất hiện đặc biệt
rõ rệt ở bộ dao động nhiều điốt và các dao động ổn định. Ngoài ra do sự phân tán
lớn của các tham số điốt, độ không ổn định nguồn một chiều, sự không phối hợp
chính xác với tải vì sự thay đổi nhiệt độ. Vì vậy đối với bộ dao động điốt bán dẫn
siêu cao tần cần phải điều chỉnh trở kháng vào tổng của mạch siêu cao tần ở giới
hạn đủ lớn. Các phần tử điều chỉnh có thể thực hiện ở dạng vòng ngắn mạch hay
vòng hở mạch, biến áp một phần tử bớc sóng (/4), cửa sổ điện cảm hoặc vít
điện dung. Việc điều chỉnh sơ đồ là để tần số cộng hởng riêng đợc xê dịch đến
tần số mà ở đó trở kháng của điốt lớn hơn trở kháng đầu vào tích cực của nó. Khi
điều chỉnh nh vậy thực tế không đạt đợc bằng một phần tử điều chỉnh mà
nhiều khi phải dùng nhiều phần tử điều chỉnh.
Một phơng pháp đảm bảo độ ổn định của bộ dao động điốt siêu cao tần là
áp dụng mạch ổn định, mạch ổn định đơn giản nhất gồm có mạch cộng hởng ổn
định Lođ, Cođ đợc điều hởng ở tần số làm việc và điện trở cân bằng R
cb
(hình
1.7)
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




18

R
cb

L
0đ
C
0đ

D Z
t

Hình 1.7. Sơ đồ tơng đơng bộ dao động điốt có mạch ổn định

Nguyên lý hoạt động của mạch ổn định là ở chỗ tất cả các tần số trừ tần số
làm việc, điện trở âm của điốt đợc bù trừ bằng điện trở cân bằng dơng. ở tần
số làm việc điện trở cân bằng bị sun hoá bởi mạch ổn định nên nó không ảnh
hởng đến các tham số của sơ đồ.









Hình 1.8. Phác hoạ bộ dao động ở tần số cố định làm trên mạch dải
1.4. Các bộ dao dộng transistor.
Các mạch dao động transistor về cơ bản là mạch khuếch đại có hồi tiếp mà

trong mạch với hồi tiếp dơng phù hợp sẽ tạo dao động và do đó sẽ tạo dao động
hình sin. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại có hồi tiếp đợc thấy ở hình 9.5,
ở đây A
0
ký hiệu hệ số khuếch đại phức khi không có hồi tiếp và A
v
là hệ số
truyền phức hai cửa hồi tiếp. Hệ số khuếch đại có hồi tiếp A sẽ là:

0
0
`1 AA
A
A
V

=
(1.22)
/2
Bề mặt
toả nhi
ệ
t
Nền điện môi
Dây dẫn kim
lo
ạ
i
Đầu ra
Điốt điện trở

âm
Điện á
p

n
g
uồn
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




19
Mà ở điểm A
v
.A
0
=1 (1.23)
có điểm cực, và mạch này sẽ tạo dao động.
Phơng trình (9.10) là điều kiện dao động tổng quất của các mạch khuếch
đại kiểu này.
Mô hình tuyến tính không cho biết về biên độ dao động. Các mạch dao
động trong thực tế luôn luôn chứa tính phi tuyến. Thờng các transistor sử dụng
làm phần tử khuếch đại có tính phi tuyến và tính phi tuyến của điốt bazơ-emitter
hạn chế biên độ. Trong trờng hợp tổng quát A
0
và đôi khi A
v

trong phơng trình
(1.9) và (1.10) đều phụ thuộc vào mức và trong điều kiện dao động cần lu ý đến
điều này. Đa số ngời ta không tiến hành các phân tích phức tạp nh vậy mà chỉ
xác định tần số dao động từ mô hình tuyến tính.
Trên thực tế ngời ta thờng không thực hiện tính toán một cách đơn giản
các bộ dao động theo phơng trình (1.10) mà xuất phát từ phân tích mạch tuyến
tính tổng thể. Ngời ta đã tiến hành các thí nghiệm tính các bộ dao động trực
tiếp từ các tham số tán xạ S, nhng cuối cùng rút ra kết luận là các phân tích tính
từ các tham số ma trận dẫn nap Y áp dụng tốt hơn.
Trong các mạch dao động transistor siêu cao tần bản thân transistor thực
hiện giới hạn điện áp hoặc dòng, do vậy để thực hiện phân tích chính xác cần
phải sử dụng mô hình tín hiệu lớn.
Các mạch cơ bản của dao động tham số tập trung là các mạch dao động
Colpitts, Hartley và Clapp.






Hình 1.9 Mạch khuếch đại có hồi tiếp

Trong các mạch dao động Colpit (hoặc trong các mạch dao động ba điểm
ghép dung kháng) hồi tiếp diễn ra trên đờng dung kháng. Bởi vì ở dải tần số

A
V

A
0

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




20
UHF và tần số siêu cao, điện dung khuếch tán của transistor có ảnh hởng lớn
đến hoạt động của mạch nên trớc tiên các mạch dao động Colpit và Clap là các
mạch có thể đợc áp dụng. Rất nhiều khi mạch dao động Colpit đợc thiết kế
không cần sử dụng phần tử hồi tiếp ngoài mà chính các điện dung khuếch tán
của transistor đảm nhận chức năng này. Tất nhiên phơng pháp này cũng có
nhợc điểm là các đặc trng khuếch tán của transistor phụ thuộc vào nhiệt độ và
phụ thuộc vào nguồn một chiều, do tính chất này nên bản thân mạch dao động sẽ
không ổn định tốt.
Mạch dao động Clapp có u điểm là có độ ổn định tần số lớn hơn nhiều so
với mạch dao động Colpit nếu ta chọn mạch cộng hởng phù hợp, vì mạch cộng
hởng quyết định tần số dao động của mạch dao động, do đó điện dung khuếch
tán của transistor có ảnh hởng rất ít. Các mạch cộng hởng đợc tìm ra cho đến
nay thờng đợc ứng dụng ở dới tần số f

. ở các tần số lớn hơn f

quay pha hệ
số khuếch đại dòng càng lớn hơn và ngời ta càng ít sử dụng kết cấu mạch đơn
giản kiểu này.
ở các tần lớn hơn f

có thể áp dụng các bộ dao động trasistor điện trở âm.

Trong một dạng đặc biệt của các mạch emitter lặp lại, ở đầu emitter ta nối
một tụ điện C
e
. Trong trờng hợp này do sự di pha của hệ số khuếch đại dòng
phần thực trở kháng đầu vào của transistor sẽ có giá trị âm, bằng phơng pháp
này có thể tạo ra bộ dao động transistor điện trở âm. Các bộ dao động kiểu này
có thể áp dụng ở tần số trên tần số cắt (ở đây độ di pha h
fe
sẽ đảm bảo tạo ra điện
trở âm).
Giả thiết rằng f> f

.
Khi đó trở kháng vào sẽ là:
A
V
A
0
= 1 (1.24)
nh vậy ta đã thực hiện thành công điện trở âm.
Tất cả các lập luận ở trên chỉ liên quan đến mạch có tham số tập trung.
Các phần tử mạch phân bố có thể sử dụng nh một phần của mạch cộng
hởng hoặc nh toàn bộ mạch cộng hởng. Ngoài ra các phần tử phân bố còn có
thể sử dụng nh mạch biến đổi trở kháng hoặc nh phần tử ghép ra.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

21
Các phơng pháp chính để thiết kế và chế tạo các bộ dao động transistor
siêu cao tần có thể hệ thống lại nh sau:

Bằng cách giảm kích thớc và sử dụng các phần tử mạch tập trung có thể chế
tạo đợc các bộ dao động phần tử tập trung. Trong trờng hợp này thiết kế
chủ yếu dựa trên các tham số dẫn nạp Y.


Thiết kế các bộ dao động transistor siêu cao tần điện trở âm. Phơng pháp
này có thể sử dụng các tham số Y, nhng có thể liên hệ tốt với các tham số
tán xạ S, và đa ra khả năng thiết kế chế tạo các bộ dao động transistor siêu
cao tần cả về mặt lý thuyết cũng nh thực tiễn. ví dụ theo mạch ở hình 1.10
do có hồi tiếp cảm kháng trong trờng hợp nối tải ở emitter ở ghép kollektor
có điện trở âm trong dải tần rộng.


Có thể sử dụng cách thiết kế gần đúng đặc biệt tốt ở các bộ dao động tín hiệu
lớn (chế độ C), ở đây bộ ghép định hớng sẽ thực hiện hồi tiếp, dựa theo sơ
đồ ở hình 1.11- Mạch cộng hởng đặt trên nhánh hồi tiếp sẽ xác định tần số
dao động. Phải chọn hệ số ghép ở bộ ghép định hớng sao cho phù hợp với
điều kiện dao động có tính đến suy giảm chèn của mạch dao động cũng nh
hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại u điểm của giải pháp này là: có thể sử
dụng mạch khuếch đại tín hiệu lớn thờng hay gặp.

Hình 1.10 Bộ dao động transistor điện trở âm siêu cao tần
Mạch một cửa
điện trở âm
Mạch cộng
hởng
R
L
L
C

Mạch
hai cửa
phối hợp
trở
kháng
Z
0
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO

22









Hình 1.11: Bộ dao động transistor siêu cao tần hồi tiếp bằng bộ ghép
định hớng













Hình 1.12: Bộ dao động siêu cao tần 2 Transitor làm việc
ở chế độ ngợc nhau.

Trong thực tế ngời ta thờng hay sử dụng phơng pháp suy luận và phán
đoán bằng trực giác để thiết kế các mạch dao động tích hợp siêu cao tần. Từ đó

đã xuất hiện rất nhiều dạng mạch dao động khác nhau chút ít. Hình 1.12 cho ta
Đầu

ra

R
0
Bộ khuếch đại
transistor
Bộ phân
đờng định
hớng
Mạch cộng
hởng
+U
T
R
1
R
T
L
R
2
R
2
L
-U
E
C
C

Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




23
thấy một sơ đồ mạch dao động hai transistor. Mạch gồm hai transistor bazơ
chung đợc nối đất, mạch cho ta công suất dao động lớn hơn.
ở các bộ dao động transistor mức công suất ra và vấn đề ổn định tần số rất
quan trọng cũng nh ở các bộ khuếch đại điện trở âm. Đứng trên quan điểm nào
đó tình thế ở đây còn quan trọng hơn bởi vì các tham số của các transistor trong
nhiều mạch còn ảnh hởng mạnh hơn đến tần số dao động.
Có thể sử dụng các phơng pháp ổn định tần số giống nh ở các bộ dao
động điện trở âm nh đã viết ở phần trên.


1.5. Các bộ dao động có thể điều hởng
Trong rất nhiều nhiệm vụ trên thực tế cần thay đổi tần số dao động của các
bộ dao động mạch tích hợp SCT và cần điều hởng đợc chúng.Tuỳ thuộc vào
ứng dụng và tốc độ thay đổi tần số ta có thể gọi nó là điều tần ngoài điều hởng
hoặc vobbulacio.
Điều hởng tần số của bộ dao động điốt thực hiện do thay đổi điện kháng
mạch cộng hởng của điốt bằng phơng pháp điện và cơ khí. Để điều chỉnh bằng
điện áp dụng các phơng pháp giống nh điều tần. Điều hởng tần số bằng điện
thực hiện bằng cách đa vào mạch cộng hởng của bộ dao động một phần tử
kháng đợc điều khiển C (U
đk
), (I

đk
), đó là varactỏ hoặc đơn tinh thể YIG có
đờng kính 1- 2mm. Sự thay đổi tần số trong trờng hợp này xảy ra do sự thay
đổi năng lợng tích trữ ở trong hệ f/f
0
= I
đk
/2(
đk
+
0
), ở đây
đk
là năng
lợng đợc tích trữ trong phần tử điều khiển, (
đk
+
0
) là năng lợng tổng của
điện trờng hoặc từ trờng đợc tích trữ trong mạch cộng hởng của bộ dao
động ở tần số f
0
, là hệ số trùm của điện kháng điều khiển ( < 1).
Bởi vì
đk
và
0
đợc xác định bằng độ phẩm chất của phần tử điều
khiểnvào mạch cộng hởng của bộ doa động, nên biểu thức trên có thể viết ở
dạng tiện lợi hơn

1
0
1
0
1
)1(2








+=
+
=

dkdk
diot
QP
QP
K
I
f
f

(1.25)
ở đây: P
đk

là công suất tổn hao ở phần tử điều khiển.
Đề tài: ĐTĐL- 2005/28G Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích
cực SCT sử dụng phần mềm thiết kế mạch SCT và công nghệ gia công mạch dải.
Báo cáo khoa học: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ dao động bán dẫn VCO




24
Từ đó suy ra là dải điều hởng tần số lớn nhất đợc đảm bảo khi độ phẩm
chất của phầnt ử điều khiển là lớn nhất và nó đợc nối trực tiếp vào mạch cộng
hởng của bộ dao động (K
max
= 1). Lúc đó việc điều hởng tần số càng dễ dàng
hơn khi công suất ra P
điốt
càng nhỏ và độ phẩm chất Q
0
của bộ dao động càng
nhỏ.
Điều hởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn nhỏ (1 ữ 2)% đợc thực hiện
bằng cách đa vào mạch cộng hởng một điện kháng phụ đợc tạo ra bằng vít
(que dò) điện môi và que dò kim loại nằm ở mặt phẳng của hộp cộng hởng siêu
cao tần. Để điều hởng tần số bằng cơ khí ở giới hạn rộng hơn (vài chục %)
ngời ta sử dụng đoạn đờng truyền ngắn mạch và có độ dài đợc điều chỉnh
nhờ pít tông ngắn mạch di động. Trong trờng hợp này, việc điều hởng tần số
của bộ doa động cũng kéo theo sự thay đổi công suất ra của nó gây nên bởi mối
quan hệ tần số - điện trở âm của điốt và bởi sự thay đổi điện trở tổn hao trong
mạch cộng hởng của mạch dao động.
Các bộ dao động điện trở âm nhìn qua có thể dễ dàng điều hởng bằng

cách thay đổi các tham số của mạch cộng hỏng. Chúng ta cần lu ý rằng trong
các mạch thực tế các phần tử điện kháng quyết định tần số cộng hởng không
nối đợc trực tiếp với hai cực của điốt. ở các mạch dao động transistor lại càng
phức tạp hơn, bởi vì thờng thờng ở đó có nhiều phần tử hơn góp phần vào việc
xác định giá trị thực của tần số dao động.
Nếu điều hởng bằng hốc cộng hởng thì cần đặc biệt thận trọng khi thiết
kế. Khi này trong trờng hợp chọn độ ghép không đúng, ghép quá chặt có thể
xuất hiện hiện tợng trễ từ.
Có nhiều cách điều hởng bộ dao động:
a) Bằng cách thay đổi kích thớc cơ khí của các mạch công hởng (hoặc đôi
khi các phần tử điều hởng). Phơng pháp điều hỏng này với kỹ thuật
mạch tích hợp siêu cao tần thờng không phức tạp, nh
ng với mạch cần
điều hỏng nhanh thì phơng pháp này không áp dụng.
b) Điều hởng bằng điốt varactor (bằng cách thay đổi điện áp cấp cho điốt
varactor).