Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ dao động tần số 3GHz ứng dụng cho hệ thống radar i2 37

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài:Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ dao động tần số 3GHz cho hệ thống radar П-37
Tác giả luận văn:Nguyễn Thị Tâm Minh Khóa:2009
Người hướng dẫn:TS.Đỗ Trọng Tuấn
Nội dung tóm tắt:
Xuất phát từ thực tiễn các bộ phận máy thu cũ của đài radar П-37 do Liên Xô
sản xuất nói chung trong đó có bộ dao động không có các thiết bị để thay thế, yêu cầu
đặt ra là phải phải chế tạo được bộ dao động mới đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật để
thay thế, em đi sâu vào nghiên cứu để thiết kế và chế tạo một bộ dao động trên mạch
vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề ra.
Radar П – 37 do Liên Xô (cũ) sản xuất và đã được Cộng hoà Liên bang Nga
ngày nay cải tiến là radar làm việc ở dải sóng cm có chức năng cảnh giới, ngoài ra
radar này còn có nhiệm vụ dẫn đường cho không quân tiêm kích. Radar П – 37 có 5
kênh thu phát riêng biệt làm việc ở 5 tần số độc lập trong dải tần số từ khoảng 2,7 GHz
đến 3,1 GHz.
Nội dung luận văn trình bày gồm 3 phần:
Chương 1 trình bày khái quát về các bộ dao động siêu cao tần và nghiên cứu về
mạch dải, đây là một công nghệ cho phép sản xuất mạch có độ chính xác cao, dễ sản
xuất hàng loạt (bằng phương pháp tự động), mạch có kích thước bé (cả thể tích và
trọng lượng), có khả năng tương thích với quy trình mạch tích hợp. Trên cơ sở đó đi
đến thiết kế bộ dao động bán dẫn VCO trên mạch dải đáp ứng được những chỉ tiêu yêu
cầu thiết kế (dải tần làm việc, công suất ra...)
Chương 2 nêu ra các nguyên nhân gây mất ổn định bộ dao động siêu cao tần
(do ảnh hưởng mất ổn định của nguồn nuôi, do ảnh hưởng của nhiệt độ...), đồng thời
đề ra một số phương pháp ổn định bộ dao động, như phương pháp ổn định sử dụng hốc
cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn định sử dụng kỹ thuật vòng khoá
pha…
Trên cơ sở lý thuyết chương 1 và 2, chương 3 trình bày thiết kế, chế tạo các bộ
VCO trên mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha PLL.

1

Việc ổn định tần số dao động ở 3 GHz được thực hiện bằng mạch vòng khóa
pha PLL (Phase Lock Loop). Một phần đầu ra của bộ VCO sẽ được đưa đến đầu vào
của PLL so sánh với tần số chuẩn và đưa ra điện áp DC điều khiển Varator của mạch
dao động để điều hưởng bộ dao động đến khi fVCO = (N/R)*fChuẩn.
Khi chế tạo bộ dao động cho đài rada ta có thể thay thế modul mạch tạo dao
động VCO bằng IC ROS-2952+ có sẵn để giảm sự phức tạp trong chế tạo và tích hợp
các modul.
Với tần số làm việc của VCO từ 2,7-3,1 GHz chúng ta sử dụng bộ tổ hợp tần số
ADF4113 để nâng cao độ ổn định bộ dao động VCO cho các đài rađa.
Dao động chuẩn ta dùng thạch anh loại 4 chân tần số 16.9344 MHz: chân 1
không dùng, chân 2 nối đất, chân 3 nối nguồn 5V và chân 4 đưa ra tần số 16.9344MHz
nối với đầu vào tham chiếu REFin của ADF4113.
Để điều khiển đầu ra các tần số mong muốn, ta sử dụng vi điều khiển PIC
12F675 8 chân.
Ta chọn thực hiện trên mạch dải kiểu FR4, vật liệu Teflon có hằng số điện môi
εr=4.7, độ dày tấm điện môi h = 0.8mm. Với loại mạch dải này, phối hợp trở kháng
50Ω ta tính được chiều rộng đường dẫn tín hiệu cao tần từ ROS-2952+ w = 1,4mm.
Kết quả đo mạch dao động sau khi chế tạo thoả mãn các yêu cầu đưa ra của đài
radar П – 37 (Công suất, tần số...). Khi thay đổi các giá trị nạp cho PIC điều khiển đầu
ra ta thu được các tín hiệu dao động ở tần số mong muốn trong khoảng 2,7-3,1GHz với
công suất khoảng 10dBm.
Kết quả đo và số liệu thực nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng của luận văn
vào thực tế cũng rất cao khi thiết kế chế tạo bộ VCO thay thế cho các bộ ngoại sai mà
hiện nay các đài rađa đang sử dụng. Ưu điểm là tần số ra bộ dao động có thể được điều
khiển chính xác và ổn định bằng thay đổi các tham số nạp cho PIC điều khiển. Nhược
điểm là công suất ra bộ dao động chưa đạt mức trên 10 dBm do bị suy hao lớn trên
đường truyền vi dải.

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................3
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................4
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................5
Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn siêu cao tần ....8
1.1.Các loại mạch dao động.....................................................................................8
1.1.1.Điều kiện dao động......................................................................................8
1.1.2. Mạch dao động tần số thấp.........................................................................9
1.1.3. Mạch dao động tần số cao ........................................................................11
1.1.4. Dao động thạch anh..................................................................................15
1.2. Dao động bán dẫn siêu cao tần (SMO)...........................................................17
1.2.1. Tổng quan chung ......................................................................................17
1.2.2. Phân loại các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần ......................................18
1.2.3. Các bộ dao động diode điện trở âm..........................................................19
1.2.4. Các bộ dao dộng transistor. ......................................................................23
1.2.5. Các bộ dao động khác ..............................................................................26
Chương 2: Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải
pháp nâng cao tính ổn định ....................................................................................35
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao
tần...........................................................................................................................35
2.2. Một số giải pháp nâng cao tính ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao
tần...........................................................................................................................36
2.2.1. Phương pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao.36
2.2.2. Phương pháp ổn định bơm khoá pha (Injection phase locking)...............38
2.2.3. Ảnh hưởng của sự không ổn định nguồn nuôi và các giải pháp ổn định .39

1


2.2.4. Ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ và các phương pháp ổn định. ....................39
2.2.5. Giải pháp sử dụng vòng khóa pha để nâng cao độ ổn định của VCO.....41
Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài
radar Π-37................................................................................................................46
3.1. Bộ dao động radar Π-37 .................................................................................46
3.1.1.Giới thiệu chung về đài radar П -37..........................................................46
3.1.2. Bộ dao động hiện đang sử dụng của đài radar П-37 ................................47
3.2. Thiết kế bộ dao động cho đài radar П-37 .......................................................48
3.2.1. Phương pháp thiết kế bộ dao động ...........................................................48
3.2.2. Thiết kế bộ dao động VCO và mạch khuếch đại trên ADS .....................51
3.2.3. Thiết kế vòng khóa pha PLL ....................................................................60
3.2.3. Chế tạo bộ dao động cho đài rada ............................................................69
3.2.4. Kết quả đo ................................................................................................75
KẾT LUẬN ..............................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................80

2


LỜI CAM ĐOAN
 
 
 

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. Nội dung luận văn có
tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo. Các số liệu có

nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong
các công trình nghiên cứu khác.
Hà Nội, ngày 28 tháng 08 năm 2011
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Tâm Minh

 
 
 
 
 

3


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
 
 

VCO

Voltage Control Oscillator

SMO

Solid-state Microwave Oscillator

PLL

Phase Lock Loop

RF

Radio Frequency

FET

Field Effect Transistor

BARITT

Barrier Injection Transit Time

IMPATT

IM Pact Avalanche Transit-Time Diode

TRAPATT

Trapped-Plasma Avalanche Transit Time

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

4


MỞ ĐẦU

Kỹ thuật siêu cao tần ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
của nền kinh tế quốc dân và trong quốc phòng, ví dụ như 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 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như 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 được 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 được thiết kế với đèn điện tử như klistron, magnetron, có thể dùng bán dẫn
như transsitor lưỡng cực (bipolar), transistor trường (FET), hoặc các loại điốt có trở
kháng âm như 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 siêu cao tần (viết tắt là SMO: solid-state
microwave oscillator) với ưu điểm nhỏ nhẹ, dùng nguồn thấp, tuổi thọ cao, chế độ
làm việc ổn định, tạp thấp đã và đang được 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 được 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 lượng 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.

5


Các bộ tạo dao động bán dẫn siêu cao tần đã được các nước 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:
Các bộ dao động điốt trở kháng âm (như GUNN và IMPATT) thực hiện
trong hốc cộng hưởng cùng với điốt Varactor tạo thành bộ VCO.
Bộ dao động VCO được thiết kế trên mạch dải sử dụng bán dẫn trường hoặc bán
dẫn Bipolar và điốt Varactor.
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần có ưu điểm là kích thước 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).
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần được sử dụng làm dao động ngoại sai
trong các đài rađa thường được thực hiện dưới 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.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ dao động trên mạch
vi dải để thay thế bộ dao động cũ sử dụng đèn 3 cực của radar П-37. Radar П-37 do
Liên Xô sản xuất và đã được Cộng hoà Liên bang Nga ngày nay cải tiến là radar
làm việc ở dải sóng cm (dải tần làm việc từ 2,7 GHz đến 3,1 GHz) có chức năng
cảnh giới ngoài ra còn có nhiệm vụ dẫn đường cho không quân tiêm kích. Hiện nay
các bộ phận máy thu cũ của đài radar này nói chung trong đó có bộ dao động không
có các thiết bị để thay thế. Yêu cầu đặt ra là phải chế tạo được bộ dao động mới đáp
ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật để thay thế cho bộ dao động cũ của đài radar. Xuất
phát từ thực tiễn đó em đi sâu vào nghiên cứu để thiết kế và chế tạo một bộ dao

động trên mạch vi dải cho đài radar đáp ứng yêu cầu đề ra.
Nội dung luận văn trình bày gồm 3 chương:
Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn siêu cao tần: trình
bày khái quát về các bộ dao động siêu cao, các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao
động bán dẫn siêu cao tần

6


Chương 2: Độ ổn định của các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần và một số giải
pháp nâng cao tính ổn định: đưa ra các nguyên nhân gây mất ổn định bộ dao động
bán dẫn siêu cao tần (do ảnh hưởng mất ổn định của nguồn nuôi, do ảnh hưởng của
nhiệt độ...), đồng thời đề ra một số phương pháp ổn định bộ dao động, như phương
pháp ổn định sử dụng hốc cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao, phương pháp ổn
định sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha…
Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ dao động bán dẫn siêu cao tần số 3GHz cho đài
radar Π-37: Trên cơ sở lý thuyết chương 1 và 2, trình bày thiết kế, chế tạo các bộ
VCO 3GHz trên mạch vi dải sử dụng kỹ thuật vòng khoá pha PLL.
Trong qúa trình làm luận văn, được sự hướng dẫn rất tận tình của các cán bộ
phòng thí nghiệm phòng Thí nghiệm Radar - Viện Radar - Viện KHKT Quân sự, và
thầy giáo hướng dẫn, đồng thời qua quá trình nghiên cứu tài liệu, thiết kế em đã
được tìm hiểu về các bộ dao động, thiết kế sử dụng phần mềm thiết kế mạch ADS
và chế tạo các bộ VCO 3GHz. Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ phòng Thí
nghiệm Radar và thầy Đỗ Trọng Tuấn đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn
của mình.

7


Chương 1: Các lý thuyết cơ sở để thiết kế bộ dao động bán dẫn

siêu cao tần

1.1.Các loại mạch dao động
1.1.1.Điều kiện dao động
Hình 1.1 là sơ đồ khối một mạch dao động có hồi tiếp.

Vin

Av 

Vf 

Vout

β 

Hình 1.1. Sơ đồ khối mạch dao động có hồi tiếp
Nếu pha của Vf lệch 180º so với Vin ta có hồi tiếp âm. Nếu pha của Vf cùng pha với
Vin (hay lệch 360º) ta có hồi tiếp dương.
Hệ số khuếch đại mạch Av =
Hệ số khuếch đại của mạch hồi tiếp β =
Độ lợi của mạch khi có hồi tiếp là
(1.1)
βAv = 1 → A =Vout/ Vin = ∞ → Vin = 0
Nghĩa là khi không có tín hiệu nguồn Vin mà vẫn có tín hiệu ra Vout tức mạch tự tạo
ra tín hiệu và được gọi là mạch dao động.
Điều kiện để mạch dao động là:
(1.2)

8

Nếu βAv >> 1 (đúng điều kiện pha) thì mạch dao động đạt ổn định nhanh
nhưng dạng sóng méo nhiều (thiên về vuông) còn nếu βAv > 1 và gần bằng 1 thì
mạch đạt đến độ ổn định chậm nhưng dạng sóng ra ít méo. Còn nếu βAv < 1 thì
mạch không dao động được.
1.1.2. Mạch dao động tần số thấp
Dao động dịch pha RC
Hình 1.2 là sơ đồ mạch dao động dịch pha RC. Mạch này thường dùng mạch
khuếch đại đảo (lệch pha 180°) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 180° để
tạo hồi tiếp dương. Hệ thống hồi tiếp gồm ba mắt R-C, mỗi mắt có độ lệch pha tối
đa 90° nên để độ lệch pha là 180° phải dùng ba mắt R-C.

Hình 1.2. Mạch dao động dịch pha RC
Mạch có thể dùng BJT, FET hoặc khuếch đại thuật toán.
Tần số dao động:
(1.3)
│β │= 1/29,

Dao động cầu Wien
9


Mạch dao động cầu Wien cũng là một dạng dao động dịch pha. Mạch này
thường dùng khuếch đại thuật toán theo kiểu khuếch đại không đảo nên hệ thống
hồi tiếp phải có độ lệch pha 0°. Mạch dao động cầu Wien căn bản như hình 1.3.
Tần số và hệ số hồi tiếp được xác định bằng công thức:

(1.4)

Hình 1.3. Mạch dao động cầu Wien
Như vậy để thay đổi tần số dao động, ta có thể thay đổi một trong các thành
phần trên. Tuy nhiên, lưu ý là khi có hồi tiếp hệ số β thay đổi và độ lợi vòng cũng
thay đổi theo, điều này có thể làm cho mạch mất dao động hoặc tín hiệu dao động bị
biến dạng. Ðể khắc phục điều này, người ta thường thay đổi R1, R2 hoặc C1, C2
cùng lúc (dùng biến trở đôi hoặc tụ xoay đôi) để không làm thay đổi hệ số β.

10


1.1.3. Mạch dao động tần số cao
Dao động dịch pha không dùng được ở tần số cao vì lúc đó tụ điện phải có
điện dung rất nhỏ. Ðể tạo sóng tần số cao người ta thường đưa vào hệ thống hồi tiếp
các mạch cộng hưởng LC (song song hoặc nối tiếp).
Dạng tổng quát của mạch dao động tần số cao như hình 1.4. Tại tần số cộng hưởng
ta có: Z1 + Z2 + Z3 = 0. Hệ số hồi tiếp được tính
(1.5)
Av(oc) là độ lợi khi không tải và không hồi tiếp. Av(oc) . β

1 nên

Av(oc)
Tùy theo Z1 , Z2 , Z3 là cuộn cảm hay tụ điện và tích chất mạch khuếch đại ta
có các loại mạch dao động Hartley, Colpitts hay Clapp.

Hình 1.4. Mạch dao động LC
Mạch dao động Colpitts

11

Hình 1.5. Mạch dao động Colpitts dùng JFET
So sánh với mạch tổng quát: Z1 = C1; Z2 = C2; Z3 = C3; C3: tụ liên lạc ngỏ
vào làm cách ly điện thế phân cực. L2: cuộn chặn cao tần (Radio-frequency choke)
có nội trở không đáng kể nhưng có cảm kháng rất lớn ở tần số dao động, dùng cách
ly tín hiệu dao động với nguồn cấp điện. Tại tần số cộng hưởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0
(1.6)

Nếu gọi

ta có
Av(oc)

(1.7)

Kết quả trên cho thấy mạch khuếch đại phải là mạch đảo và độ lợi vòng hở
phải có trị tuyệt đối lớn hơn C /C .
2

A

v(oc)

là độ lợi không tải: A

v(oc)

1

= -g (r //X )

m

d

L2

Do X rất lớn tại tần số cộng hưởng, nên: A
L2

v(oc)

Hình 1.6 là một mạch Colpitts dùng BJT

12

≈ -g r

m d


Hình 1.6. Mạch dao động Colpitts dùng BJT
Mạch dao động Clapp
Dao động clapp thật ra là một dạng thay đổi của mạch dao động colpitts.
Cuộn cảm trong mạch dao động colpitts đổi thành mạch LC nối tiếp. Tại tần số
cộng hưởng, tổng trở của mạch này có tính cảm kháng. Hình 1.7 là sơ đồ mạch dao
động Clapp dùng FET
Tại tần số cộng hưởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0.
Nếu gọi

(1.8)

Av(oc)
Ðể ý là do mạch L C phải có tính cảm kháng ở tần số dao động nên C phải
1

3

3

có trị số nhỏ, thường là nhỏ nhất trong C , C , C và f gần như chỉ tùy thuộc vào
1

L C mắc nối tiếp.
1

3

13

2

3

0


Hình 1.7. Mạch dao động Clapp dùng FET
Mạch dao động Hertley
Mạch dao động Hertley được vẽ ở hình 1.8. Mạch này cũng giống như dao
động colpitts nhưng vị trí của cuộn dây và tụ hoán đổi nhau.Z = L ; Z = L ; Z = C
1

; Av(oc)

1

2

2

3

1

(1.9)

Từ điều kiện: Z + Z + Z = 0 với Z +Z = Z = jω L
1

2

3

1

2

l

0

(1.10)

14


Hình 1.8. Mạch dao động Hertley dùng FET
1.1.4. Dao động thạch anh
Tinh thể thạch anh (quartz crytal) là loại đá tinh thể trong thiên nhiên, chính
là dioxyt silicium (SiO ). Khi ta áp một lực vào 2 mặt của lát thạch anh (nén hoặc
2

kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện thế xoay chiều giữa 2 mặt. Ngược lại dưới tác
dụng của một điện thế xoay chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và
như vậy tạo ra một điện thế xoay chiều có tần số không đổi.
Rs : là điện trở biểu thị mức tiêu hao năng lượng thường
từ vài Ohm đến vài trăm Ohm.
Ls : điện cảm
Cs : điện dung
Cp : tụ hình thành do hai lớp kim loại mạ ở hai mặt thạch
anh.
Hình 1.9. Mạch tương đương của thạch anh
Tần số rung động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước của nó đặc biệt
là độ dày mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động của thạch anh cũng thay
đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không
dùng thạch anh (tần số dao động gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ
thuộc mạch ngoài).
Mạch tương đương của thạch anh như hình 1.9.
Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai tần số khác nhau:
- Cộng hưởng nối tiếp ở tần số fs do Ls và Cs
(1.11)

- Cộng hưởng ở tần số fp do Ls , Cs và Cp mắc song song
(1.12)

15


Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động ở
tần số f . Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số f (hoặc
S

p

f ). Do thạch anh có điện cảm L lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch anh sẽ
op

S

quyết định tần số dao động của mạch.
Dao động dùng thạch anh như mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là mạch
dao động Pierce và được trình bày ở hình 1.10.

Hình 1.10. Mạch dao động Pierce
Ta thấy dạng mạch giống như mạch dao động clapp nhưng thay cuộn dây và
tụ điện nối tiếp bằng thạch anh. Dao động Pierce là loại dao động thông dụng nhất
của thạch anh. Hình 1.11 là loại mạch dao động Pierce dùng rất ít linh kiện. Thạch
anh nằm trên đường hồi tiếp từ cực thoát về cực cổng. Thực tế người ta mắc thêm
một tụ tinh chỉnh C có tác động giảm biến dạng của tín hiệu dao động.
M

16

Hình 1.11. Mạch dao động Pierce dùng FET
Tần số dao động
với

(1.13)

và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song.
1.2. Dao động bán dẫn siêu cao tần (SMO)
1.2.1. Tổng quan chung
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần (viết tắt là SMO: solid-state
microwave oscillator). Như chúng ta đã biết bất kỳ bộ SMO điện trở âm nào cũng
gồm một phần tử tích cực (là điốt điện trở âm hay tranzitor) và một mạch ngoài nối
với nó. Nhiệm vụ của mạch ngoài là tạo ra mạch phối hợp trở kháng giữa phần tử
tích cực và tải sao cho đảm bảo được điều kiện dao động. Khi khởi động, bộ SMO
từ trạng thái quá độ chuyển sang trạng thái ổn định.
Ta có thể xét bộ SMO như mạch một cửa với điện trở âm sử dụng điốt IMPATT
hay GUNN hay tranzitor trường. Hình 1.12 vẽ bộ SMO một cửa điện trở âm, có trở
kháng vào của phần tử tích cực là Zvào= Rvào +jXvào . Trở kháng này phụ thuộc vào
dòng (hoặc áp) và phụ thuộc vào tần số:
Zvào (Ijω) = Rvào (Ijω) + jXvào (Ijω)

(1.14)

Xvào

XTải

Rvào

RTải

Γvào

ΓTải;

Hình 1.12. Sơ đồ bộ dao động trở kháng âm một cửa
Phần tử tích cực được nối với trở kháng tải : ZTải = RTaỉ +j XTải
Theo định luật Kirchoff ta có:
(ZTaỉ+Zvào)I=0

(1.15)
17


Nếu có dao động thì I khác 0 và thoả mãn điều kiện dao động:
RTaỉ + Rvào =0

(1.16a)

XTaỉ + Xvào =0

(1.16b)

Vì điện trở tải RTaỉ >0 nên Rvào <0. Vậy nếu điện trở dương tiêu thụ công suất
thì điện trở âm là nguồn sinh ra công suất. Hai công thức (1.16a) và (1.16b) là điều
kiện dao động của SMO. Điều kiện dao động (1.16b) xác định tần số dao động. Như
vậy để có dao động ổn định, phải thoả mãn điều kiện: ZTaỉ= Zvào, khi có hệ số phản
xạ của tải là:

ΓTaỉ =1/Γvào

(1.17)

Các đặc trưng chính của các bộ dao động là:
Tần số làm việc
Công suất ra
Hệ số phản xạ riêng
Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng còn có thêm nhiều yêu cầu: độ ổn định tần
số, tạp của bộ dao động, độ sạch của phổ tần dao động....
Các bộ SMO có ưu điểm là kích thước bé, có độ ổn định cao, tạp nhỏ và cấp
nguồn rất đơn giản được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm 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 lượng làm việc thấp, tạp lớn, tốn nhiều nguồn, khó điều
chỉnh.
1.2.2. Phân loại các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần
Các mạch dao động tích hợp siêu cao tần bán dẫn cơ bản có thể chia làm hai
nhóm sau:
− Các bộ dao động diode điện trở âm.
− Các bộ dao động transitor.
Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần ở dải centimet và milimét thường được
làm trên hốc cộng hưởng ống sóng chữ nhật còn ở dải tần số thấp hơn thì thường
làm trên mạch dải. Các bộ dao động bán dẫn siêu cao tần được sử dụng làm dao
động ngoại sai thường được thực hiện dưới dạng VCO (Voltage Controlled
18


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 diode hoặc
transitor.

1.2.3. Các bộ dao động diode điện trở âm
Các điốt bán dẫn siêu cao tần trở kháng âm
Điốt bán dẫn siêu cao tần được phân thành:
Điốt Varisto là các điốt có điện trở biến đổi (bao gồm các điốt tiếp xúc điểm,
điốt nghịch đảo và đa số điốt có hàng rào schottky) được dùng để: tách sóng, biến
đổi dưới, giải điều chế, bộ hạn chế tốc độ cao hoặc chỉnh lưu.
Điốt Varactor là các điốt có điện dung biến đổi, do có điện dung phi tuyến
thay đổi được khá nhanh, tổn hao nhỏ hơn nhiều so với Varisto nên được 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 được (điốt Pin): Độ dẫn điện của các
điốt này hoàn toàn tỷ lệ thuận với số lượng các hạt mang điện không cơ bản được
tích luỹ. Các điốt này ở dải sóng siêu cao tần có trở kháng tựa tuyến tính, giá trị của
nó thể điều khiển được bằng thiên áp một chiều hoặc thiên áp âm tần ngoài Chúng
được 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 đường 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 nhưng vì công suất ra nhỏ, tần số làm việc
không cao nên được dùng chủ yếu làm dao động ngoại sai trong các máy thu siêu
ngoại sai, trong các bộ khuếch đại tạp âm bé, các bộ điều chế, các bộ chuyển mạch
công suất nhỏ tốc độ cao và bộ hạn biên.
Điốt gunn và điốt thác lũ do cường độ điện trường cao, năng lượng động học
của điện tử lớn hơn nhiều năng lượng nhiệt của chúng. Lúc đó các điện tử này gọi là
19


điện tử "nóng", còn các bộ dao động và bộ khuếch đại bằng điốt thác lũ và điốt

Gunn được gọi là các thiết bị trên điện tử "nóng". Cả hai loại điốt siêu cao tần này
so với dụng cụ điện tử chân không truyền thống chúng có kích thước, trọng lượng
nhỏ, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, điện áp một chiều nhỏ nên ngày càng được 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 lượng nguồn một chiều thành năng lượng
dao động siêu cao tần. Việc biến đổi năng lượng được thực hiện do tương tác của
dòng chuyển động các hạt mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) với điện trường 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 đưa ra (Anốt, Katốt) giới hạn không gian
tương tác .
Các hạt mang điện tích được tạo ra bên trong khoảng giữa hoặc được bắn ra
từ các đầu cực và chuyển động dưới các điện trường được tạo ra bởi điện áp ngoài
đặt vào các đầu cực cũng như các điện tích bên trong khoảng giữa điốt.
Quá trình biến đổi năng lượng ở khoảng giữa điốt bán dẫn khác với dụng cụ chân
không là nó có hàng loạt đặc điểm được quy định bởi tính chất của bán dẫn, điện
tích và vận tốc chuyển động của nó trong đó cũng như cường độ điện trường 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 giữa điốt
làm tăng hiệu quả biến đổi, điều này cho phép sử dụng khoảng giữa điốt tạo dao
động siêu cao tần.
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 như điốt Tunnel, điốt Gunn, điốt IMPATT.vv..). Để tạo được mạch dao
động ta đặt điốt điện trở âm vào trong một mạch cộng hưởng và nối tải với nó.

20

Các điốt điện trở âm thường có thể đặc trưng bằng một điện trở âm phụ thuộc vào
mức được mắc song song hoặc nối tiếp với một phần tử điện kháng có giá trị cố
định (hình 1.13).
C’d 
Gd 

Cd 

Rd 

Hình 1.13: Sơ đồ tương đương mạch một cửa điện trở âm
Dẫn nạp phụ thuộc vào mức Yd của điốt điện trở âm có thể viết theo biểu
thức sau [3]:

(

)

(

Yd = Gd + jωCd = −G0 1 − αU 2 + jωC0 1 + β U 2

)

(1.18)

Trong đó G0 là hỗ dẫn tín hiệu bé, C0 là dung kháng tín hiệu bé, U là giá trị
hiệu dụng điện áp trên 2 đầu của điốt. Nhiều trường hợp ta mô tả bằng mạch tuơng
đương mắc nối tiếp, khi này trở kháng của điốt sẽ như sau:
Z d = Rd +

(

)

(

1
1
= − R0 1 − α ' I 2 +
1 + β 'I 2
'
'
j ωC d
j ω C0

)

(1.19)

trong đó R0 là điện trở âm tín hiệu bé, C’0 là giá trị tín hiệu bé của tụ mắc tương
đương mắc nối tiếp và I là giá trị hiệu dụng dòng sin chảy qua điốt.
Trong bộ dao động ở hình 1.14 gắn với 1 điốt là một mạch cộng hưởng và
một tải. Nếu ta mắc với mạch cộng hưởng song song khi đó ta phải sử dụng mạch
tương đương mắc song song.

Gd 

Cd 

CP 

LPR

G 

Hình 1.14: Sơ đồ tương đương của bộ dao động điện trở âm
21


đã được đơn giản hoá
Trong trường hợp mạch cộng hưởng song song phương trình cân bằng sẽ là :
Yd (U ) + Y = 0

(1.20)

Từ phương trình trên về lý thuyết có thể xác định được tần số và biên độ.
Khai triển phương trình (1.19) ta có thể tiến hành phân tích nghiệm của mạch cộng
hưởng song song.

(

)

G0 1 − αU 2 = G

(

(1.21)

)

− ωCd 0 1 + βU 2 = ωC p −

1
ωLP

(1.22)

Bằng phương pháp tương 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:

(

)

P = GU 2 = G0 1 − αU 2 U 2

(1.23)

Giá trị cực đại của nó sẽ là:
Pmax =

G0
4α

(1.24)

Giá trị cực đại của G phẳng do vậy việc điều chỉnh để đạt giá trị công suất

cực đại đơn giản
‐Gd 
G0 

U 

Hình 1.15: Sự phụ thuộc vào điện áp của dẫn nạp âm
Đối với tín hiệu nhỏ có tần số dao động ω0 :

22


ω0 =

1
LP (CP + Cd 0 )

(1.25)

Nếu β ≠ 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. Điều kiện dao
động G0> G, và trong quá trình dao động biên độ luôn luôn tăng cho tới khi giá trị –
Gd > G. Bằng phương pháp này ta có thể đưa vào điểm làm việc..
Ở mạch tương đương nối tiếp điều kiện dao động sẽ là: R0 > R.
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 Vng/Vbh.

+ Giá trị cường độ điện trường cho phép lớn nhất ở vận liệu bán dẫn, nó phải nhỏ
hơn giá trị Eđt (cường độ điện trường 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.
1.2.4. 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 dương 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 được thấy ở hình 1.16, ở
đây A0 ký hiệu hệ số khuếch đại phức khi không có hồi tiếp và Av là hệ số truyền
phức hai cửa hồi tiếp. Hệ số khuếch đại có hồi tiếp A sẽ là:
A=

Mà ở điểm

A0
1`− AV A0

(1.26)

Av.A0 =1

(1.27)

có điểm cực, và mạch này sẽ tạo dao động.
Phương trình (1.26) là điều kiện dao động tổng quát của các mạch khuếch đại kiểu
này.
23