Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp thụ động và tích cực siêu cao tần nghiên cứu thiết kế, chế tạo các bộ khuếch đại

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 khuếch đại

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




6715-3
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 khuếch đại

1
mục lục

Các ký hiệu và viết tắt 3
1. Các ký hiệu và định nghĩa 3
2. Các chữ viết tắt 6

Lời mở đầu 7
Chơng I: Tổng quan các bộ khuyếch đại 8
1.1. Giới thiệu 8
1.2. Phơng pháp phân tích hệ số khuyếch đại và sự ổn định kinh điển. 9
1.2.1. Vòng tròn khuyếch đại hằng số 13
1.2.2. Các ý nghĩa thực tế của lý thuyết 15
1.2.3. Thiết kế mạch khuyếch đại ổn định có điều kiện 16
1.2.3.1. Tải thuần trở. 16
1.2.3.2. Phản hồi song song 16
1.2.3.3. Phản hồi nối tiếp 17
1.2.3.4. Mạch khuyếch đại cân bằng 17
1.3. Kỹ thuật phối hợp 18
1.3.1. Phối hợp bằng phần tử tập trung 18
1.3.1.1. Mạng L 18
1.3.1.2. Phối hợp hai trở kháng phức bằng mạng L 19
1.3.1.3. Mạng T và mạng

20
1.3.2. Mạng phối hợp phân tán 21
1.3.2.1. Đờng truyền nối tiếp và nhánh cụt song song 21
1.3.2.2. Biến áp phần t bớc sóng 23
1.3.2.3. Biến áp đoản mạch 24

1.4. Cấp thiên áp một chiều 25
1.4.1. Định thiên xếp chồng 30
1.4.2. Các phần tử ngoài chip 31
1.4.3. Khảo sát bằng thử RFOW 32
1.5. Thiết kế mạch khuyếch đại phối hợp điện kháng 32
1.5.1. Thiết kế nhiều tầng 33
1.6. Phối hợp có tổn hao 34
1.7. Mạch khuyếch đại FET có phản hồi 35
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 khuếch đại



2
1.8. Mạch khuyếch đại phân bố 37
1.8.1. Tổn hao đờng truyền gate - drain 39
1.8.2. Cân bằng tốc độ pha đờng truyền gate và drain 41
1.8.3. Mạch khuyếch đại phân bố có mạng R hằng số 42
1.8.4. Mạch khuyếch đại phân bố cascode 43
1.8.5. Mạch khuyếch đại phân bố đơn tầng 45
1.8.6. Mạch khuyếch đại phân bố ma trận 45
1.8.7. Vài chỉ dẫn thiết kế thực tế 46
1.9. Phối hợp tích cực 47
1.9.1. Mạch khuyếch đại drain chung/source chung/gate chung 48
1.9.2. Cặp Darlington 48
1.9.3. Mạch khuyếch đại ghép một chiều 49
1.10. Mạch khuyếch đại công suất 50
1.10.1. Mô tả đặc trng linh kiện 52
1.10.2. Cộng công suất và phối hợp nhóm 53

1.10.3. Làm việc ở chế độ B 55
1.10.4. Mạch khuyếch đại phân bố công suất lớn 56
1.10.4.1. Khuyếch đại phân bố ghép điện dung 56
1.10.4.2. Khuyếch đại phân bố chia đờng truyền gate 57
1.10.4.3. Kỹ thuật thu hẹp đờng drain 58
1.11. Mạch khuyếch đại tạp thấp 59
1.11.1. Thiết kế bộ khuyếch đại bán dẫn sử dụng tham số S 60
1.11.2. LNA phối hợp đồng thời 72

Chơng II: Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ khuyếch đại
tạp thấp 74
2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của bộ khuyếch đại tạp thấp dải sóng cm 74
2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của bộ khuyếch đại tạp thấp dải sóng mét 78
Kết luận 81
Tài liệu tham khảo 82




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 khuếch đại



3
Các ký hiệu và viết tắt

1. Các ký hiệu và định nghĩa
Điểm nén 1 dB: Là mức đầu ra mà tại đó hệ số khuếch đại bị giảm đi

1dB so với hệ số khuếch đại ở mức tín hiệu nhỏ, hoặc đợc nén bằng
1dB. Nói cách khác, nó là điểm mà khi ta tăng công suất đầu vào thì
đờng cong KĐ không tăng tuyến tính nữa mà giảm đi 1dB.
ổn định có điều kiện: ổn định có điều kiện đề cập đến bộ khuếch đại
mà sẽ dao động dới điều kiện trở kháng tải hoặc nguồn cụ thể, đây là
một điều kiện không mong muốn.
Dải động: Là dải công suất mà bộ khuếch đại sẽ hoạt động tuyến tính,
với giới hạn dới phụ thuộc vào hệ số tạp (hoặc độ nhạy) và giới hạn trên
là hàm của điểm nén 1dB.
Độ bằng phẳng hệ số khuếch đại: Chỉ thị sự biến thiên đặc tính khuếch
đại của bộ khuếch đại theo dB trên toàn bộ dải đáp ứng tần số ở nhiệt độ
cho trớc.
Hệ số khuếch đại: Đối với các bộ khuếch đại RF nó là tỷ số công suất
vào với công suất ra: G
dB
= 10 log
10
G.
Méo hài: Là kết quả do bộ khuếch đại hoạt động trong vùng phi tuyến và
xuất hiện dạng của các tần số tín hiệu đầu ra là cấp số nhân của các tần
số tín hiệu vào.
Độ cách ly: Là tỷ số của công suất ở đầu ra bộ khuếch đại với công suất
mà đo tại đầu vào của bộ khuếch đại.
Sự tuyến tính: Sự tuyến tính của một bộ khuếch đại biểu thị công suất
đầu vàolà một hàm tuyến tính ở công suất đầu vào. Một bộ khuếch đại
tuyến tính tạo ra ở đầu ra của nó một bản sao khuếch đại của tín hiệu đầu
vào với hài không đáng kể hoặc không có hài.
Mức công suất tín hiệu cực đại: Liên quan đến tín hiệu RF xung hoặc
CW lớn nhất mà có thể đa vào một cách an toàn cho đầu vào một bộ
khuếch đại. Vợt quá giới hạn cho phép có thể gây ra sự giảm hệ số tạp,

tăng hài, giảm hệ số khuếch đại và có thể cháy khuếch đại.
Hệ số tạp: Là tỷ số của tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp tại đầu
vào và tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp tại đầu ra bộ khuếch
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 khuếch đại



4
đại. Hệ số tạp theo dB có quan hệ với hệ số tạp F theo công thức: NF =
10 log
10
F (dB).
Tổn hao phản hồi (RL): Là tỷ số giữa công suất phản xạ với công suất
tới tại cổng RF của bộ khuếch đại, biểu thị theo dB: RL = - 20 log ||,
là hệ số phản xạ.
Độ ổn định: Độ ổn định của bộ khuếch đại biểu thị xu hớng của nó làm
dao động hoặc tạo ra một tín hiệu ở đầu ra của nó mà không đa vào đầu
vào.
ổn định không điều kiện: Đề cập đến một bộ khuếch đại sẽ không dao
động bất chấp trở kháng tải hoặc nguồn.
VSWR đầu ra và đặc tính kỹ thuật: VSWR đầu ra là phép đo xem bao
nhiêu công suất bị phản xạ về từ cổng ra bộ khuếch đại khi một tín hiệu
bên ngoài đợc đa vào cổng đó. VSWR biến thiên từ giá trị lý thuyết 1 :
1 đối với sự phối hợp hoàn toàn đến giá trị lớn hơn 20 : 1 đối với sự
không phối hợp hoàn toàn. Do tải theo áp dụng thực tế thay đổi theo tần
số, công suất cực đại và độ bằng phẳng hệ số khuếch đại cũng sẽ bị lệch
từ giá trị đặc trng. Nếu bộ khuếch đại đợc nối với tải của nó bởi một
cáp và có tất cả 3 trở kháng khác nhau, thì bội lần sự khuếch đại giữa bộ

khuếch đại và tỉa của nó có thể xuất hiện tạo ra sự biến thiên lớn hơn về
đáp ứng tần tần số, trở kháng ra (tiêu biểu cho VSWR đầu ra) là trở
kháng nguồn của linh kiện sau.
Mối quan hệ giữa hệ số phản xạ , VSWR và RL:
= (VSWR 1)/(VSWR + 1).
RL = - 20 log
10
|| = - 20 log
10
(VSWR 1)/(VSWR +1)
Tổng quan về đờng truyền:
Với mục đích lấy đặc trng của bộ KĐ SCT, các khái niệm về đờng truyền
chính gồm:
- Sóng chạy theo cả 2 hớng, V
+
và V
-
- Trở kháng đặc tính và hằng số truyền j
- Hệ số phản xạ
0
0
Z
Z
L
L
L
+


=

đối với tải phức Z
L
- Hệ số sóng đứng khi 0
- Sự chuyển đổi của Z
L
qua đờng truyền của Z
0
và chiều dài l
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 khuếch đại



5
- Biểu diễn và Z trên đồ thị Smith
Tổng quan về ma trận tán xạ:
Sự chuẩn hoá biên độ sóng với
0
Z tơng ứng:
0
Z
v
a
+
=
và
0
Z
v

b

=

Quan hệ của b
i
và a
i
: b
i
=
i
a
i

Phơng trình cho b
1
và b
2
ở mặt phẳng tham chiếu:
b
1
= S
11
a
1
+ S
12
a
2

b
2
= S
21
a
1
+ S
22
a
2
Định nghĩa S
ii
:
S
11
= hệ số phản xạ đầu vào với đầu ra đợc phối hợp
S
21
= hệ số truyền với đầu ra phối hợp, chính là hệ số khuếch đại hoặc độ
suy giảm của mạng.
S
22
= hệ số phản xạ ra vào với đầu vào phối hợp
S
21
= hệ số truyền ngợc.

0|
2

1
1
11
== a
a
b
S , là đầu vào khi đầu ra đợc nối tải Z
0
0|
2
1
1
21
== a
a
b
S , là tỷ số truyền thẳng với tải Z
0
0|
2
1
1
22
== a
a
b
S
, là đầu ra khi đầu vào đợc nối tải Z
0
0|

2
1
1
12
== a
a
b
S
, tỷ số truyền ngợc với nguồn Z
0

|S
21
|
2
= Hệ số KĐ công suất bộ khuếch đại với nguồn và tải Z
0

Định nghĩa
L
,
S
,
IN
,
OUT
:
0
0
Z

Z
L
L
L
+

=
: Hệ số phản xạ của tải
0
0
Z
Z
S
S
S
+

=
: Hệ số phản xạ của nguồn
L
L
IN
In
IN
S
SS
S
Z
Z

+=
+

=
22
2112
11
0
0
1
: Hệ số phản xạ đầu vào
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 khuếch đại



6
S
S
OUT
OUT
OUT
S
SS
S
Z
Z

+=
+


=
11
2112
22
0
0
1
: Hệ số phản xạ đầu ra
Hệ số KĐ công suất G, hệ số KĐ sẵn có G
A
, hệ số KĐ biến đổi G
T
:
IN
L
P
P
G =
= Công suất có đợc đến tải/công suất đa vào mạch
S
out
AV
AV
A
P

P
G =
= Công suất có thể lấy từ mạch/công suất có thể lấy từ nguồn
S
AV
L
T
P
P
G
= = Công suất đến tải/ công suất có thể lấy từ nguồn
2. Các chữ viết tắt
KĐ : Khuếch đại.
HCCS: Hạn chế công suất
SCT : Siêu cao tần.
HSKĐ: Hệ số khuếch đại.
VSWR: Hệ số sóng đứng.

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 khuếch đại



7
Lời mở đầu


Việc nghiên cứu máy thu ít nhiễu tần số siêu cao đã cho ra đời 1 loạt bộ
khuếch đại: KĐ đèn sóng chạy (TOP), KĐ tham số, KĐ dùng điốt Tunel, KĐ
dùng điốt Gunn hoặc điốt thác lũ, KĐ dùng transistor lỡng cực (Bipolar), KĐ
dùng transistor trờng.
Transistor trờng xuất hiện vào năm 1986 vì đã đạt đợc các ứng dụng
tốt. Việc đa ra thị trờng các transistor trờng cho phép có thể chế tạo những
bộ KĐ có vị trí vợt trội trong lĩnh vực máy thu tần số siêu cao ít nhiễu.
Các bộ KĐ này có thể áp dụng trong nhiều trờng hợp: radar cảnh giới,
radar điều khiển hoả lực, theo dõi bám sát mục tiêu nói chung là dùng trong
tất cả các trờng hợp máy thu với yêu cầu độ nhạy cao.
Việc sử dụng rộng rãi transistor trờng trong thực nghiệm cho phép bắt
tay vào nghiên cứu và chế tạo bộ KĐ tạp thấp, bộ KĐ này có các đặc trng có
thể so sánh với các đặc trng của các bộ KĐ tham số nhng lại có những u
điểm của hệ thống bán dẫn nh: dải rộng, độ ổn định cao, tiêu thụ năng lợng

ít, kích thớc bé mà lại có độ tin cậy cao.
Các bộ khuếch đại tạp thấp đã đợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng
rộng rãi trong máy thu của các hệ thống điện tử (trong đó có các đài rađa, đài
điều khiển tên lửa) thay thế cho các đèn sóng chạy. Hiện nay có thể mua đợc
các bộ khuếch đại tạp thấp này theo các hãng điện tử trên thế giới nhng với giá
thành cao. Để đa đợc bộ khuếch đại tạp thấp vào thay đèn sóng chạy trong
đài rađa dẫn đờng -37 đòi hỏi phải có bộ bảo vệ để tránh cho bộ khuếch đại
bị đánh thủng vì công suất phát lọt qua đèn cặp nhả điện. Thờng thì những bộ
khuếch đại chuyên dụng này rất khó mua đơn chiếc ở trên thị trờng.






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 khuếch đại



8
Chơng i
Tổng quan các bộ khuyếch đại
1.1. Giới thiệu
Trớc tiên chúng ta xem xét những kĩ thuật và công nghệ quan trọng nhất
đợc sử dụng trong thiết kế mạch khuyếch đại MMIC. Các lí thuyết kinh điển,
các phân tích các thông số tác xạ S, sự ổn định hai cực và hệ số khuyếch đại của
bộ chuyển đổi đơn cũng sẽ lần lợt đợc trình bày. Các kĩ thuật cơ bản về phối
hợp trở kháng và xu hớng thiết kế mạch sẽ đợc đề cập trớc khi giới thiệu 5

loại mạch khuyếch đại MMIC cơ bản là: mạch khuyếch đại phối hợp trở kháng,
mạch khuyếch đại phối hợp tổn hao, mạch khuyếch đại phản hồi, mạch
khuyếch đại phân bố nhiều kiểu mạch khuyếch đại phối hợp tích cực khác. Và
cuối cùng sẽ trình bày kĩ thuật thiết kế mạch khuyếch đại có công suất ra lớn và
tạp tán thấp.
Khi so sánh với các mạch khuyếch đại MIC lai ghép, các mạch khuyếch
đại MMIC có các u điểm chính là giá thành thấp và tính lặp lại rất tốt khi sản
xuất với số lợng lớn. Tuy nhiên, tính năng của các mạch khuyếch đại MMIC
có thể bị kém hơn do kích thớc nhỏ dẫn đến làm tăng tổn hao mạng phối hợp
và khó chọn phơng án bố trí mạch. Hơn nữa, vì cần công suất ra cao, nên các
linh kiện tích cực của mạch MMIC thờng có phẩm chất kém hơn so với các
linh kiện rời. Điều này thể hiện rõ ở các linh kiện công suất lớn. Do đó, nói
chung, các mạch khuyếch đại MMIC không đạt đợc các tính chất tốt nhất về
hệ số tạp tán và công suất hữu ích. Tuy nhiên, do loại trừ đợc ảnh hởng kí
sinh của các mối hàn và dây dẫn sẽ làm cho các mạch khuyếch tích hợp ở múc
cao có dải thông rất rộng, đặc biệt đối với mạch khuyếch đại phân bố. Ngoài ra,
việc thiết kế các mạch khuyếch đại dải sóng milimét sẽ trở nên dễ dàng hơn rất
nhiều so với kỹ thuật vi mạch cao tần lai ghép, vì ở đó cần phải gia công cơ khí
với độ chính xác rất cao, là một vấn đề khó khăn và hầu nh không thể thực
hiện đợc trong thực tế.
Tính năng của các mạch khuyếch đại MMIC sẽ đợc cải thiện rất nhiều
khi dựa vào các linh kiện công nghệ mới nh MESFET (transistor hiệu ứng
trờng), HEMT (transistor điện tử độ linh hoạt cao) và HBT (transistor lỡng
cực lớp tiếp giáp không đồng nhất). Hiện nay, ngời ta đã chế tạo đ
ợc các
mạch khuyếch đại MMIC sử dụng linh kiện HEMT làm việc đến 100GHz, 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 khuếch đại

9
mạch khuyếch đại HBT làm việc đến 90GHz. Để thiết kế các mạch khuyếch
đại, các linh kiện MESFET các thể đáp ứng đợc tần số đến khoảng 30GHz và
hệ số tạp tán tốt nhất đến 18GHz. Các linh kiện HEMT có hệ số tạp tán tốt nhất
và hiện đang là linh kiện tốt nhất cho các ứng dụng tạp tán thấp ở dải sóng
milimét. Các linh kiện HBT GaAs có khả năng tốt nhất về công suất ra, mạch
khuyếch đại đơn khối 8,5GHz cho ra công suất liên tục 12W. Mặc dù linh kiện
lỡng cực silicon có hệ số tạp tơng đối kém, nhng chúng đặc biệt kinh tế khi
sản xuất loạt lớn và có thể tích hợp với mạch CMOS trong công nghệ BiCMOS.
Công nghệ HBT SiGe đang phát triển rất nhanh và đã ghi nhận đạt đến tần số
f
max
> 160GHz và có linh kiện đạt hệ số tạp nhỏ hơn 1dB ở 10GHz.
Cần phải khẳng định rằng, tuy phẩm chất các linh kiện dù sẽ đợc hoàn
thiện hơn nữa, nhng các kỹ thuật thiết kế mạch khuyếch đại trình bày ở đây sẽ
vẫn tiếp tục đợc ứng dụng. Tất nhiên, khi hệ số khuyếch đại linh kiện đợc
nâng cao, các chức năng khác nhau của mạch đợc tích hợp chặt chẽ hơn (thành
từng tầng 50) thì sự cần thiết các kỹ thuật phối hợp kinh điển sẽ giảm đi. Kết
quả là, khi thiết kế trên dải cao tần sẽ sử dụng ngày càng nhiều kĩ thuật phối
hợp tích cực và kỹ thuật ghép một chiều kết hợp bơit lí do chúng đã đợc tích
hợp ở múc cao. Trong tơng lai xu hớng các linh kiện có tạp tán tháp, công
suất lớn và tiêu thụ ít năng lợng sẽ là xu hớng phổ bíen. Đối với các úng dụng
sóng milimét, khi hệ số khuyếch đại của transistor bị hạn chế, các kỹ thuật phối
hợp truyền thống nh phối hợp dây chêm và chuyển đổi trở kháng sẽ vẫn còn
đợc sử dụng tiếp tục trong nhiều năm nữa.

1.2. Phơng pháp phân tích hệ số khuyếch đại và sự ổn định kinh điển.
Độ khuyếch đại của transistor phụ thuộc rất nhiều vào các trở kháng

nguồn và tải. Đó là nhiệm vụ của mạng phối hợp nhằm đạt đợc các phẩm chất
mong muốn (hệ số tạp cực tiểu, độ khuyếch đại cực đại hoặc công suất ra cực
đại) trong cả dải tần số, và thiết kế mạng phối hợp là phần chủ yếu của thiết kế
mạch khuyếch đại. Thêm vào đó, các linh kiện thực tế có hệ số truyền ngợc
đáng kể, điều đó có nghĩa là, vấn đề ổn định phải đợc khảo sát trong thiết kế
mạch khuyếch đại. Để phân tích độ ổn định và độ khuyếch đại của mạch
khuyếch đại tín hiệu nhỏ, cần phải biểu diễn transistor theo các tham số
S , và
hình 1.1 là biểu diễn sơ đồ của một transistor có trở kháng ra đợc coi là hệ số
phản xạ tải
L

:
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 khuếch đại



10








Trớc hết ta cần chú ý rằng, hệ số truyền ngợc,
12

S , có nghĩa là hệ số
phản xạ của tải,
L

sẽ ảnh hởng đến trở kháng vào của transistor. Sử dụng quy
tắc vòng kín Mason, có thể dễ dàng thấy rằng:
L22
L1221
11in
S1
SS
S




+=
(1.1)
Tơng tự, hệ số phản xạ tại lối ra sẽ là hệ số phản xạ của nguồn ,
S

:
S11
S1221
22out
S1
SS
S

+=
(1.2)
Có hai hệ quả quan trọng từ các phơng trình (1.1) và (1.2). Thứ nhất là,
nói chung, trở kháng vào và ra đợc phối hợp chỉ với tham số
11
S
và
22
S
khi
transistor có
0S
12
= là điều không tồn tại trong thực tế. Thứ hai là,
S

và
L


đều có một giá trị nhất định nào đó, kết quả là
in

và
out

có thể lớn hơn đơn vị,
và transistor có thể có điện trở vào/ra âm. Điều đó có nghĩa là, transistor bị mất

ổn định đối với những trở kháng nguồn và tải nhất định. Nếu ta khảo sát từ phía
vào, do đó đặt
1
in
=

, có thể thiết lập điều kiện biên cho sự ổn định:
1
S1
SS
S
L22
L1221
11
=

+


(1.3)
Có thể viết lại phơng trình này dới dạng vòng tròn có bán kính:
2
22
2
2112
L
S
SS
r

=

(1.4)
có tâm tại:
22
22
*
1122
)(





=
S
SS
C
(1.5)
Trong đó:
21122211
SSSS =


in

L

1
a

2
b
1
b
2
a
H
ình 1.1.
S
ơ đồ biểu diễn linh ki
ệ
ncó tải ra
12
S
21
S
22
S
11
S
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 khuếch đại



11
Vòng tròn này biểu diễn một miền trong mặt phẳng
L

(trên giản đồ
Smith), trong hoặc ngoài miền đó toàn bộ trở kháng tải làm cho hệ số phản xạ
lối vào transistor lớn hơn đơn vị và dẫn tới mất ổn định. Vòng tròn này là vòng
tròn ổn định tải và nó có thể nằm một phần trong giản đồ Smith, hoàn toàn nằm
trong giản đồ Smith hoặc hoàn toàn nằm ngoài giản đồ Smith. Hình 1.2 biểu
diễn bằng hình vẽ các khả năng xảy ra. Miền ổn định nằm trong hoặc ngoài
vòng tròn đợc xác định bằng miền có điểm gốc (điểm 50) vì điểm này nằm
trong miền ổn định (cho rằng
1S,1S
2211
<< ). Bằng phơng pháp tơng tự có
thể viết đợc các phơng trình để xác định vòng tròn ổn định nguồn: trở kháng
nguồn nằm trong miền không ổn định sẽ dẫn đến hệ số phản xạ lối ra lớn hơn
đơn vị. Nếu các tham số
S thay đổi theo tần số, tâm và bán kính của vòng tròn
ổn định sẽ khác nhau khi tần số khác nhau.
Từ hình 1.2c và d rõ ràng rằng, đây là các trờng hợp hệ số phản xạ nguồn hoặc
tải trong giản đồ Smith dẫn đến mất ổn định. Đó là ổn định không điều kiện. ổn
định không điều kiện có nghĩa là, không có tổ hợp các đầu cuối tải và nguồn
thuần trở để có thể dẫn đến mất ổn định. Nhng, phải lu ý rằng, trong mạch
khuyếch đại nhiều tầng có thể một transistor có trở kháng âm với tầng khác, và
do đó vấn đề ổn định sẽ phức tạp hơn nhiều.
Điều rất quan trọng là ngời thiết kế phải ngay lập tức biết rằng transistor
có ổn định vô điều kiện hay không. Hệ số ổn định Rollett là chỉ thị ổn định tức
thời và đợc tính nh sau:
2112
22
22
2
11

SS2
SS1
K

+
=
(1.6)
Nếu
1
K
> , transistor ổn định vô điều kiện, nếu 1
K
< sự ổn định phụ
thuộc vị trí tơng đối của trở kháng nguồn và tải so với vòng tròn ổn định.









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 khuếch đại



12

Hình 1.2. Vòng tròn ổn định trên giản đồ Smith
a - vòng tròn ổn định nằm một phần trong giản đồ Smith,
b - nằm một phần trong giản đồ Smith và bao điểm 50

,
c - hoàn toàn nằm ngoài
d - bao hoàn toàn giản đồ Smith,
e - hoàn toàn nằm trong giản đồ Smith và không bao điểm 50

,
f - nằm hoàn toàn trong giản đồ Smith và bao điểm 50

.
V
ựng
khụng n
r
L



(a)
Vựng n nh
(b)
V
ựng
khụn
g
n
(c)
Vựng n nh
(d)
V

ựng
khụng n
(e)
Vựng n nh
(f)
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 khuếch đại



13
1.2.1. Vòng tròn khuyếch đại hằng số
Chuyển đổi khuyếch đại công suất của transistor
T
G
đợc định nghĩa là tỷ
số công suất tải nhận đợc trên công suất có thể cung cấp, và đợc tính bằng
công thức:
2
LSL22S11
2
L
2
S
2
21
T
SS1
)1)(1(S

G


+

=
(1.7)
Phơng trình này xác định mức độ ảnh hởng của các trở kháng nguồn và
tải đến độ khuyếch đại. Tuy nhiên, để trực quan, cần phải đơn giản hóa phơng
trình bằng cách giả thiết rằng transistor có
0S
=
, nghĩa là transistor một chiều
và không có truyền ngợc. Điều đó đa đến biểu thức chuyển đổi khuyếch đại
một chiều
TU
G dới dạng sau:
2
L22S11
2
L
2
S
2
21
TU
)S1)(S1(
)1)(1(S
G

=
(1.8)
Có thể chia ra thành các thành phần:
LOSTU
G.G.GG
=
(1.9)
Trong đó:
2
S11
2
S
S
S1
1
G




=

2
21O
SG =
và
2

L22
2
L
L
S1
1
G




=

Coi sự chuyển đổi là một chiều và chia thành ba thành phần khuyếch đại,
chúng ta có thể thấy các vòng tròn chuyển đổi không đổi khuyếch đại một
chiều tồn tại trong cả hai mặt
S
S và
L
S
. Hình 1.3 biểu diễn các vòng tròn
khuyếch đại không đổi (trong mặt
L

) đối với MESFET 300àm ở tần số 8GHz.
Các vòng tròn khuyếch đại này có thể dùng để phát triển chiến lợc phối hợp
khi thiết kế mạch khuyếch đại băng rộng. Tuy nhiên, chúng phải đợc sử dụng
cùng với các vòng tròn ổn định, bởi vì các vòng tròn khuyếch đại cao hơn sẽ
nằm một phần hoặc hoàn toàn trong miền không ổn định, nếu hệ số
K

nhỏ hơn
đơn vị.
Khi hệ số
K
nhỏ hơn đơn vị, điểm khuyếch đại cực đại sẽ nằm trong
miền không ổn định. Trong trờng hợp đó, chúng ta phải chấp nhận rằng,
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 khuếch đại



14
không thể đạt đợc chuyển đổi khuyếch đại cực đại vì mất ổn định. Khi
K
nhỏ
hơn đơn vị, có thể đạt đợc an toàn một lợng khuyếch đại cực đại gọi là độ
khuyếch đại cực đại ổn định (MSG - maximum stable gain) và đợc tính:
12
21
S
S
MSG =
(1.10)
Khi K lớn hơn đơn vị (và biên độ của cả hai
11
S
S
11
và

22
S
S
22
đều nhỏ hơn
đơn vị [5]), linh kiện sẽ ổn định vô điều kiện, và độ khuyếch đại cực đại có thể
đạt đợc gọi là độ khuyếch đại tối đa khả năng (MAG - maximum available
gain) và đợc tính:
(
)
1KK
S
S
MAG
2
12
21
=
(1.11)
Thông thờng, theo danh định, transistor ổn định có điều kiện (
1
K
<
) ở
tần số thấp, độ khuyếch đại ổn định cực đại sẽ thay đổi 3dB/octave. Tại một tần
số xác định
1
K
= , sau đó linh kiện rơi vào ổn định không điều kiện ( 1
K

> ) và
độ khuyếch đại cực đại có thể thay đổi 6dB/octave.

Hình 1.3. Các vòng tròn khuyếch đại (trong mặt

L
) đối với MESFET 300
à
m
tiêu chuẩn ở tần số 8GHz.


Trên hình 1.4 biểu diễn đờng cong khuyếch đại cực đại cho MESFET
0.5àm với độ rộng cửa khác nhau. Ngoài một vài khác biệt do hiệu ứng phân
bố, đờng cong tần số MSG/MAG của FET 4 x 100àm cũng giống nh của
FET 2 x 100àm hoặc 6 x 100àm, bởi vì các thành phần của các linh kiện giống
nhau đợc bố trí trực tiếp song song với nhau. Nhng ở tần số thấp, linh kiện
Các hình
tròn KĐ
KĐ cực đại
Vòng tròn
ổn định
00 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 khuếch đại



15

nhỏ có trở kháng rất cao và do đó linh kiện có độ rộng cửa lớn dễ phối hợp
50 hơn. Ngợc lại, ở tần số cao, linh kiện lớn có trở kháng rất thấp, và do đó
linh kiện có độ rộng cửa nhỏ dễ phối hợp với 50 hơn. Độ rộng cửa thành phần
có hiệu ứng đánh dấu lên tần số chuyển tiếp MSG/MAG: độ rộng cửa thành
phần nhỏ dẫn đến trở kháng gate thấp hơn và độ cảm ứng source thấp hơn
(trong hầu hết trờng hợp). Những thay đổi đó trong các phần tử kí sinh FET là
nguyên nhân có sự khác nhau giữa các đờng cong MSG/MAG của 4 x 150àm,
4 x 100àm và 4 x 50àm (xem hình 1.4). Tiểu tiết quan trọng này của độ
khuyếch đại cực đại, độ ổn định và trở kháng linh kiện phải đợc nghiên cứu
gắn liền với nhau ngay khi bắt đầu quá trình thiết kế đối với dải tần và linh kiện
quan tâm để chọn đợc kích thớc hình học tối u của linh kiện.











Hình 1.4. Độ khuyếch đại cực đại ổn định/ độ khuyếch đại cực đại khả năng
cho MESFET 0.5
à
m tiêu chẩn với kích thớc hình học khác nhau.

1.2.2. Các ý nghĩa thực tế của lý thuyết
Các phân tích kinh điển có tính chất chung ở đây nhằm minh họa một
điều, sẽ là sai lầm nếu nghĩ rằng thiết kế mạch khuyếch đại chẳng qua là vấn đề

phối hợp
11
S và
22
S của transistor. Thực tế, mặc dù nó có thể bảo đảm điểm bắt
đầu thiết kế tốt, ngời thiết kế không bao giờ phối hợp đợc
11
S và
22
S , và các
trờng hợp ổn định có điều kiện và vô điều kiện cần phải đợc xử lý khác nhau.
Khi transistor ổn định vô điều kiện, ngời thiết kế có thể bằng cách liên
hợp để phối hợp lối vào và lối ra nhằm đạt đợc khuyếch đại cực đại và phối
hợp tốt lối vào và lối ra. Nhng, vì S
12
của transistor, hệ số phản xạ phải phối
H

s khuch

i/dB
30



20

10



0
1 10 100
Tn s/GHz
MAG (K>1)
MSG (K<1)
4x150
4x100
4x50
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 khuếch đại



16
hợp với các đại lợng tính theo công thức (1.1) và (1.2), chứ không phải
11
S và
22
S . Các hệ só phản xạ này đợc xác định khi 1
K
> là hệ số phản xạ phối hợp
bằng cách liên hợp đồng thời. Đó là hệ số phản xạ lối vào của transistor khi lối
vào đợc phối hợp tốt, đờng cong phải chạy trên giản đồ Smith và sau đó đi
đến điểm 50 bằng các phần tử phối hợp tơng ứng. Các giá trị dễ dàng nhận
đợc bằng chơng trình thiết kế. Nhng cần cẩn thận xác định sao cho, khi

chơng trình thiết kế chỉ thị hệ số phản xạ lối vào transistor với điều kiện phối
hợp bằng cách liên hợp hoặc mạng phối hợp cần thiết, hệ số phản xạ tính trên
lối vào transistor phải đạt đợc phối hợp bằng các cách khác nhau. Trong
chơng trình Libra
TM
các tham số đợc gọi là các hệ số phản xạ phối hợp đồng
thời, các giá trị này sẽ do mạng phối hợp đặt lên transistor. Do đó, các phơng
pháp phối hợp đợc mô tả dới đây trong chơng này, các cách khác nhau của
Libra
TM
, các giá trị phải đợc vẽ trên giản đồ Smith. Libra
TM
và các chơng
trình CAD khác cũng có thể chỉ thị độ ổn định và vòng khuyếch đại.
Khi linh kiện chỉ ổn định có điều kiện ta không thể phối hợp lối vào và
lối ra bằng cách liên hợp vì sẽ dẫn đến tự kích. Trong trờng hợp này ta chỉ có
thể thiết kế mạch khuyếch đại làm việc với cố ý làm mất phối hợp lối vào và lối
ra và có khoảng cách an toàn tới miền không ổn định. Nhng, mạch khuyếch
đại là một phần tử không có ích nhiều, nếu mất phối hợp sẽ dẫn đến rung độ
khếch đại, và mạch khuyếch đại có thể bị dao động nếu trở kháng nguồn và tải
không bằng 50. Do đó, cần phải từng bớc ổn định linh kiện.
1.2.3. Thiết kế mạch khuyếch đại ổn định có điều kiện
1.2.3.1. Tải thuần trở.
Transistor có thể ổn định bằng cách bổ xung số lợng nhỏ điện trở mắc
nối tiếp hoặc số lợng lớn điện trở mắc shunt vào lối vào và/hoặc lối ra nh
hình 1,5a và b. Các phần tử tổn hao này phải chắc chắn rằng, transistor không
cùng với trở kháng rơi vào miền không ổn định, nghĩa là trở kháng nguồn và tải
bị nối với nhau. Tuy nhiên, kỹ thuật này không dùng đợc cho mạch khuyếch
đại tạp thấp, vì các điện trở làm xấu hệ số tạp. Các giá trị điện trở phải đợc
chỉnh trên máy tính cho đến khi hệ số

K
vừa lớn hơn đơn vị. Cần chú ý sao cho
các phần tử thuần phản ứng không làm thay đổi hệ số
K
.
1.2.3.2. Phản hồi song song.
Việc tạo phản hồi âm bằng cách bổ xung các mạng điện trở nh trên hình
1.5c có hiệu qủa rất tốt đối với sự ổn định transistor. Hơn nữa, một hiệu quả nữa
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 khuếch đại



17
c/ d/
b/a/
của phản hồi là làm cho dễ dàng phối hợp trở kháng lối vào và lối ra. Các mạch
khuyếch đại phản hồi sử dụng FET đợc mô tả trong phần 1.7. Tuy nhiên, phản
hồi bằng điện trở sẽ làm xấu hệ số tạp.
1.2.3.3. Phản hồi nối tiếp
Phản hồi nối tiếp đợc thực hiện bằng cách đa một điện trở hoặc cuộn
cảm vào chân chung của linh kiện. Cách phổ biến nhất là đa một cuộn cảm
vào source của FET, nh hình 1.5d, để linh kiện ổn định ở tần số thấp. Khi dùng
cuộn cảm, hệ số tạp đợc hoàn thiện thêm nhiều, và có thể chọn trở kháng phối
hợp tạp gần điểm phối hợp công suất. Trờng hợp đặc biệt của LNA (mạch
khuyếch đại tạp thấp) FET sẽ đợc thảo luận trong phần 1.11

Hình 1.5. Các phơng pháp ổn định: a - điện trở mắc nối tiếp,
b - điện trở mắc shunt,
c - phản hồi song song, d - phản hồi nối tiếp
1.2.3.4. Mạch khuyếch đại cân bằng
Mạch khuyếch đại cân bằng đợc sử dụng chủ yếu đối với MIC tạp thấp
và khuyếch đại công suất. Trong LNA vấn đề thờng xảy ra là phối hợp cho hệ
số tạp thấp lại không cho phối hợp tốt lối vào 50. Mạch khuyếch đại cân bằng
giải quyết vấn đề này bằng cách triệt tiêu tín hiệu phản xạ trên tải phối hợp.
Một cách tơng tự, nếu linh kiện ổn định có điều kiện đợc chủ ý làm mất phối
hợp để tránh mất ổn định, mạch khuyếch đại cân bằng có thể đợc sử dụng nh
một phơng tiện triệt tiêu các tín hiệu phản xạ không mong muốn. Hình 1.6
trình bày sơ đồ khối mạch khuyếch đại cân bằng. Hai mạch khuyếch đại giống
nhau đợc đặt giữa một cặp bộ ghép bốn cực (ví dụ, bộ ghép Lange). Khi bố trí
nh vậy, các bộ khuyếch đại đợc nuôi lệch pha 90
0
. Tín hiệu phản xạ tại lối
vào sẽ bị quay pha 180
0
sau khi đi qua bộ ghép, và triệt nhau. Các tín hiệu phản
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 khuếch đại

18
xạ tại đầu cuối bộ ghép bị hấp thụ. Kết quả là các mạch khuyếch đại cân bằng
có phối hợp tuyệt vời lối vào và lối ra và ngời thiết kế có thể tự do tối u hóa
mạch khuyếch đại theo tính ổn định, độ khuyếch đại, hệ số tạp So sánh
với mạch khuyếch đại có đầu ra riêng, mạch khuyếch đại cân bằng có các đặc
trng sau đây:
Hệ số tạp
Khuyếch đại
Công suất ra
Công suất DC
Độ tin cậy

Phối hợp gate
Độ ổn định
Nhiễu điều chế chéo
Hệ số tạp mạch khuyếch đại đơn + tổn hao bộ ghép.
Khuyếch đại mạch khuyếch đại đơn - tổn hao 2 bộ ghép.
Mạch khuyếch đại đơn + 3dB - tổn hao bộ ghép.
Gấp đôi.
D một chút: nếu hỏng một mạch khuyếch đại, độ
khuyếch đại bị giảm 6dB.
Tuyệt vời, dễ nối tầng, vì không bị rung khuyếch đại.
Tuyệt vời.
Nhiễu hài thứ ba thấp hơn 6dB so với công suất lối vào.

Hình 1.6. Sơ đồ khối mạch khuyếch đại cân bằng
1.3. Kỹ thuật phối hợp
1.3.1. Phối hợp bằng phần tử tập trung

Mạng phối hợp bằng phần tử tập trung rất hấp dẫn vì kích thớc nhỏ và
đặc trng tần số không lồi lõm. Trong phần này chỉ ra cách có thể phối hợp một
trở kháng bất kì (ví dụ, trở kháng vào của một transistor) với 50 bằng hai phần
tử tập trung. Sau đó, khảo sát cách phối hợp hai trở kháng phức, và cuối cùng là
cách điều khiển hệ số Q bằng mạng phối hợp ba phần tử.
1.3.1.1. Mạng L
Về nguyên tắc, có thể phối hợp bất kì điện trở nào với 50 bằng hai phần
tử điện kháng tập trung. Trên sơ đồ Smith, điện cảm mắc nối tiếp sẽ chuyển
dịch tải theo chiều kim đồng hồ dọc theo vòng điện trở không đổi. Còn điện
Tải
Tải
Bộ ghép
Đầu ra
Đầu vào
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 khuếch đại



19
dung mắc shunt sẽ chuyển dịch tải ngợc chiều kim đồng hồ dọc theo vòng
điện trở đó. Điện cảm mắc shunt sẽ chuyển dịch tải ngợc chiều kim đồng hồ
dọc theo đờng tròn điện cảm không đổi, và điện dung mắc shunt sẽ chuyển
dịch tải theo chiều kim đồng hồ dọc theo đờng tròn điện cảm. Khi các vòng
điện trở không đổi và điện cảm không đổi nằm cơ bản trực giao với nhau, ta đã
chọn đợc các phần tử mắc nối tiếp và mắc shunt phù hợp có thể chuyển dịch
trở kháng tải về tâm giản đồ.
Tổng cộng có 8 tổ hợp điện cảm/điện dung mắc nối tiếp/shunt và ít nhất
một trong chúng có khả năng phối hợp bất kì trở kháng đặc biệt nào với 50.

Hình 1.7 biểu diễn 8 tổ hợp có thể sử dụng và sơ bộ hoạt động yêu cầu của giản
đồ Smith đối với điện cảm và điện dung mắc nối tiếp và mắc shunt. Những
mạng này thờng đợc gọi là mạng L, là loại cơ bản nhất của mạng phối hợp
bằng phần tử tập trung. Thông thờng, có thể sử dụng nhiều hơn một mạng L để
phối hợp với trở kháng đã cho, phải chọn bằng cách khảo sát các nhân tố, nh
giá trị các phần tử, và sử dụng thuận tiện thiên áp một chiều. Ví dụ, khi phù
hợp, mạng 4 sẽ thuận tiện cho mạng phối hợp với transistor, vì đầu nối đất của
cuộn cảm có thể sử dụng để cấp thiên áp nột chiều và tụ mắc nối tiếp sẽ nhân
đôi cách li một chiều.

Hình 1.7. Phối hợp trở kháng phần tử tập trung bằng mạng L

1.3.1.2. Phối hợp hai trở kháng phức bằng mạng L
Đây là trờng hợp mở rộng phối hợp hai trở kháng phức đơn giản bằng
kỹ thuật mạng L. Điện kháng/điện nạp của một trong các trở kháng có thể bị
CAPACITIVE
INDUCTIVE
SERIES L

SHUNT
L
SHUNT C
SERIES C
Short
circuit
Open
circuit
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 khuếch đại



21
của phần tử. Trên giản đồ Smith có thể thiết kế mạng T và phối hợp bằng xếp
chồng các đờng Q không đổi lên giản đồ. Cực trị của đờng Q nằm trên trục
thực (Q = 0; hoàn toàn không có điện kháng) và ra khỏi giản đồ (Q

; không
có điện trở). Điều rất quan trọng cần chú ý là toàn bộ Q hoạt động của mạch
điện đợc xác định bởi giá trị Q cao nhất của tất cả các nút. Mạng L cho hệ số
Q thấp hơn và giải thông tần rộng hơn so với mạng T và . Bất kì sự chuyển
dịch nào về phía rìa giản đồ sẽ làm tăng hệ số Q. Đó là một điểm rất quan trọng
cần nhớ khi thiết kế mạng phối hợp: bố trí mạch chuyển dịch ở rìa giản đồ sẽ
làm hẹp giải thông, yêu cầu giá trị cực trị của các linh kiện, và nhạy hơn với sự
thay đổi các tham số.









Hình 1.9. Nguyên tắc phối hợp bằng mạng T
1.3.2. Mạng phối hợp phân tán
Trên các tần số cao, điện dung kí sinh, cộng hởng ngẫu nhiên và hiệu
ứng phân tán của cuộn cảm hình xoắn có nghĩa là các phần tử phối hợp đờng

truyền loại này chiếm u thế hơn các linh kiện tập trung. ở đây sẽ mô tả ba
phơng pháp: kỹ thuật phối hợp nhánh cụt đơn, biến áp phần t bớc sóng và
biến áp đoản mạch. Lẽ dĩ nhiên, còn nhiều kỹ thuật phối hợp khác, nhng
không gian hạn chế của MMIC làm cho đa số chúng trở thành không thực tế.
Khi sử dụng các phần tử phối hợp phân bố, cần nhớ rằng, chúng có đặc trng
tần số tuần hoàn, và sự ổn định của mạch khuyếch đại phải đợc kiểm tra ở các
hài và các phân hài trong dải tần thiết kế.
1.3.2.1. Đờng truyền nối tiếp và nhánh cụt song song
Trong loại mạch vi dải ở giữa, không thể sử dụng nhánh cụt nối tiếp vì
mặt phẳng đất cha sẵn sàng có đờng vào. Thay vào đó ngời ta sử dụng mạch
hở song song (shunt) hoặc nhánh cụt ngắn mạch. Điều đó cần sử dụng giản đồ
dẫn nạp trong nột vài phép tính, và một vài họ hàng giản đồ Smith để tránh sai
~
1
jX
3
jX
S
R
L
R
4
jX
2
jX
RZ
in
=
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 khuếch đại



22
lầm. Trong trờng hợp không có tổn hao, nhánh cụt hở có dẫn nạp, đợc tính
bằng biểu thức:
ltgjYY
0in
OC

=
(1.12)
và nhánh cụt đoản mạch có dẫn nạp lối vào đợc tính bằng biểu thức:
lctgjYY
0in
SC


=
(1.13)
Trong đó:

- hằng số truyền của đờng truyền và bằng
g
/2


,
g

- bớc sóng trong ống sóng.
l

- độ dài điện của nhánh cụt thờng đợc biểu diễn bằng độ
hoặc phân số bớc sóng.
o
Y - là dẫn nạp nhánh cụt.
Dẫn nạp đầu vào theo độ dài đối với dây chêm hở mạch nh hình 1.10.












Hình 1.10. Dẫn nạp đầu vào theo độ dài đối với dây chêm hở mạch

Chú ý rằng, về nguyên tắc, có thể đạt đợc bất kì giá trị điện nạp nào.
Điều đó cho phép có thể sử dụng nhánh cụt làm phần tử phối hợp với bất kì trở
kháng nào trên giản đồ. Nếu nhánh cụt shunt chỉ có thể thay đổi phần ảo của
dẫn nạp tải, cần có phần tử đờng truyền bổ xung để điều chỉnh phần thực. Hầu
hết phơng pháp chung đợc sử dụng cho đờng truyền nối tiếp trớc nhánh
cụt, nh hình 1.11a. Bớc đầu tiên là chọn trở kháng đặc trng cho đờng
truyền nối tiếp và nhánh cụt,

Oser
Z

và
Ostub
Z : đờng truyền 50 thờng ít đợc
sử dụng trong MMIC do độ rộng quá nhỏ. Trong thí dụ này, trở kháng 70
Dẫn nạp


+ Y
o
0
- Y
o
Độ dài điện/độ
45
90

g
/4
180
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 khuếch đại



23
đợc chọn cho cả hai. Thủ tục thiết kế chủ yếu dựa vào giản đồ Smith đợc tóm

tắt các bớc bằng thí dụ trở kháng tải
100j25

nh sau (hình 1.11b):
1. Vẽ dẫn nạp của tải trên giản đồ dẫn nạp, chuẩn hóa theo dẫn nạp đặc trng
đã chọn của đờng truyền nối tiếp (nghĩa là vẽ
OserL
AxY
bằng cách sử dụng
các vòng điện dẫn và điện nạp không đổi); điểm A.
2. Quay dẫn nạp của tải quanh tâm giản đồ cho đến khi gặp vòng tròn
)50Z(g
Oser
+= (điểm B). Độ dài điện của đờng truyền mắc nối tiếp,
ser
l

,
là một nửa của góc quay đó, cho ta độ dài đờng truyền mắc nối tiếp (bằng
41
0
trong ví dụ này).
3. Lúc này có thể đọc điện nạp yêu cầu của nhánh cụt bằng cách đi theo vòng
điện nạp không đổi đến rìa giản đồ (điểm C). Khi nhánh cụt phải triệt tiêu
điện nạp tại điểm B, sẽ dùng số ghi đối diện, cần nhớ rằng dẫn nạp nằm ở
nửa dới giản đồ là điện nạp dơng.
4. Giá trị phải vẫn để chuẩn hoá (chia cho
Oser
Z ): trong ví dụ, điện nạp của
nhánh cụt cần thiết là

3b
stub
=
, do đó, )703(B
stub
+

=

-1
.
5. Từ phơng trình (1.12) hoặc (1.13) độ dài điện của nhánh cụt đợc tính toán
cho trở kháng đặc trng và chủng loại (đoản mạch hay mạch hở) của nhánh
cụt mong muốn. Trong ví dụ, đối với nhánh cụt mạch hở:
stubstubOstub
BltgY
=


còn độ dài điện của nhánh cụt:

)70x0428,0(tg)ZxB(tgl
1
Ostubstub
1
stub
==

Nó sẽ cho độ dài điện nhánh cụt bằng 108,5
0
, sau khi cộng thêm 180
0
vào
kết quả âm của phép tính. Bản thiết kế sau đó đợc biến đổi về kích thớc vật lý
và các hiệu ứng nh ghép chữ T và các khuỷu kết hợp vào mô phỏng. Việc dùng
giản đồ Smith rất quan trọng vì trớc tiên, nó có thể giải quyết vấn đề phối hợp
bằng nhiều phơng án tổ hợp các độ dài và vị trí nhánh cụt khác nhau, điều đó
có nghĩa là, khi tối u hoá bằng máy tính có rất nhiều các hàm sai số cục bộ cần
tối thiểu hoá để đạt đợc phối hợp. Hơn nữa, vài lời giải đối kháng sẽ cho
đờng truyền dài hơn, giải thông tần hẹp hơn và độ nhạy lớn hơn.
1.3.2.2. Biến áp phần t bớc sóng.
Kỹ thuật quen thuộc này có thể phối hợp điện trở tải
R
với
O
Z bằng cách
mắc nối tiếp các đoạn đờng truyền có độ dài một phần t bớc sóng (90
o
) với
trở kháng đặc trng bằng
RZZ
T 0
= . Vì trở kháng transistor rất ít khi hoàn toàn
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 khuếch đại

24
là đại lợng thực, đầu tiên phải dùng phần tử điện kháng để cộng hởng phần
ảo. Có thể đạt đợc điều này hoặc bằng cuộn cảm/tụ điện mắc nối tiếp hay mắc
shunt hoặc bằng nhánh cụt đờng truyền.










(b)
Hình 1.11. Mạng phối hợp trở kháng nhánh cụt đơn (a)
và thao tác trên giản đồ Smith (b)

1.3.2.3. Biến áp đoản mạch
Có thể sử dụng kỹ thuật biến thế trở kháng đoản mạch để phối hợp trực
tiếp trở kháng tải R + jX với Z
0
bằng cách chọn trở kháng đặc trng của biến
thế Z
T
và độ dài điện , sao cho:
RZ
ZX
RZZ

T

=
0
0
2
0
(1.14)
và
Ngắn
m
ạ
ch
A
Từ tải
4.1
50
==
Oser
Z
g
C
B
Hở
m
ạ
ch
b = + 3.0
b
Stub

= - 3
~
S
R
L
Z
StubStub
Z
/0
ser
oer
Z
/
Sin
RZ =
(a)