Nghiên cứu các phương pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suát rf băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƢƠNG HIỆP

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG
CHO MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT RF BĂNG RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Xuân Quyền

Hà Nội – Năm 2017


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................... 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ 13
CHƢƠNG 1: CƠ BẢN VỀ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN........................ 15
1.1. Khái niệm............................................................................................................. 15
1.2. Các thông số cơ bản của một mạch khuếch đại công suất cao tần ...................... 15

1.2.1. Công suất đầu ra ............................................................................................ 15
1.2.2. Độ lợi công suất ( power gain) ...................................................................... 16
1.2.3. Độ đồng đều khuếch đại ( gain flatness) ....................................................... 16
1.2.4. Hiệu suất ....................................................................................................... 16
1.2.5. Độ tuyến tính ................................................................................................. 17
1.2.6. Độ ổn định ..................................................................................................... 18
1.3. Các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất ........................................ 18
1.3.1. Khuếch đại chế độ A ..................................................................................... 20
1.3.2. Khuếch đại chế độ B ..................................................................................... 22
1.3.3. Khuếch đại chế độ AB................................................................................... 23

2


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

1.3.4. Khuếch đại chế độ C ..................................................................................... 23
1.3.5. Khuếch đại chế độ chuyển mạch ................................................................... 23
1.4. Giới hạn băng thông trong thiết kế mạch khuếch đại công suất.......................... 25
1.4.1. Giới hạn băng thông của mạng phối hợp trở kháng ...................................... 25
1.4.2. Phản ứng với trở kháng đầu ra ...................................................................... 27
1.5. Các phƣơng pháp khuếch đại công suất băng rộng ............................................. 28
1.5.1. Mạch khuếch đại phân tán ............................................................................. 28
1.5.2. Mạch khuếch đại cân bằng ............................................................................ 29
1.5.3. Mạch khuếch đại đẩy kéo .............................................................................. 30
1.6. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 31
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BĂNG RỘNG ....... 33
2.1. Khái niệm............................................................................................................. 33
2.2 Hệ số phẩm chất Q ................................................................................................ 35

2.3. Tiêu chuẩn Bode-Fano ......................................................................................... 37
2.3. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng các phần tử hỗn hợp. ........................ 40
2.3.1. Mạch L-Network .......................................................................................... 41
2.3.2. Mạch π-network ........................................................................................... 43
2.3.3. Mạch T-Network ........................................................................................... 46
2.3.4. Ví dụ về mạch phối hợp trở kháng sử dụng phần tử tập trung ...................... 48
2.4. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng đƣờng mạch vi dải. ........................... 53
2.5. Phƣơng pháp phối hợp trở kháng sử dụng transformer ....................................... 59

3


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

2.5.1. Ở tần số thấp .................................................................................................. 62
2.5.2. Ở tần số cao ................................................................................................... 63
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT BĂNG RỘNG ........ 67
3.1. Mục tiêu ............................................................................................................... 67
3.2. Lựa chọn giải pháp và transistor .......................................................................... 68
3.3. Phân cực một chiều cho transistor. ...................................................................... 69
3.4. Khảo sát độ ổn định ............................................................................................. 71
3.5. Xác định trở kháng transistor............................................................................... 74
3.6. Bộ biến đổi trở kháng .......................................................................................... 77
3.7. Phân tích với tín hiệu nhỏ .................................................................................... 80
3.7. Phân tích tín hiệu lớn ........................................................................................... 82
3.8. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 85
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 88

4


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tồn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn này là kết
quả tìm kiếm và nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hỗ trợ và chỉ bảo của ngƣời hƣớng
dẫn. Các kết quả và dữ liệu đƣợc nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và rõ ràng.
Mọi thơng tin trích dẫn đều đƣợc tn theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài
liệu tham khảo. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong
luận văn này

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2017
Tác giả luận văn

Dƣơng Hiệp

5


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

FM

Frequency Modulation (điều chế tần số).

BALUN Balance – unbalance (bộ biến đổi cân bằng – bất cân bằng)
RF

Radio frequency (tần số vô tuyến điện)

LOS

Light of sight ( tầm nhìn thẳng)

PA

Power Amplifier ( khuếch đại cơng suất)

IMD3

Third-order intermodulation distortion (méo điều chế trong bậc 3)

PAE

Power added effiency (hiệu suất chèn)

VHF

Very-high frequency (tần số rất cao)

UHF

Ultra-high frequency (tần số siêu cao)

BW

Band width (băng thông)

EER

Envelop Elimination and Eestoration (khử và khôi phục đƣờng bao)

LINC

Linear amplification using nonlinear components (khuếch đại tuyến tính sử
dụng phần tử phi tuyến).

6


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Chỉ tiêu kỹ thuật chính của mạch khuếch đại công suất ............................... 67
Bảng 3.2: So sánh các kết quả ........................................................................................ 85

7


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống thơng tin đơn giản .................................................. 15
Hình 1.2: Cấu trúc một mạch khuếch đại cơ bản. .......................................................... 19
Hình 1.3: Phân loại transistor dựa trên điện áp phân cực. ............................................. 20
Hình 1.4: Góc mở dịng điện chế độ A .......................................................................... 21
Hình 1.5: Dạng sóng dịng điện và điện áp chế độ A..................................................... 21
Hình 1.6: Dạng sóng dịng điện và điện áp ở chế độ B. ................................................. 22
Hình 1.7: Sơ đồ mạch khuếch đại chế độ E ................................................................... 24
Hình 1.8: Trở kháng đầu ra bị thay đổi bởi các phần tử phản ứng. ............................... 27
Hình 1.9: Cấu trúc mạch khuếch đại phân tán ............................................................... 28
Hình 1.10: Cấu trúc mạch khuếch đại cân bằng ............................................................ 30
Hình 1.11: Cấu trúc mạch khuếch đại đẩy kéo .............................................................. 31
Hình 2.1: Sơ đồ tƣơng đƣơng thể hiện mối quan hệ giữa nguồn và tải ......................... 33
Hình 2.2: Sơ đồ mạch RLC mắc nối tiếp ....................................................................... 35
Hình 2.3: Đáp ứng tần số của mạch RLC mắc nối tiếp ................................................. 36
Hình 2.4: Các mơ hình tƣơng đƣơng với các dạng tải khác nhau .................................. 38
Hình 2.5: Bộ lọc lý tƣởng với băng thơng rộng (a) và hẹp (b) ...................................... 39
Hình 2.6: Các dạng mạch phối hợp trở kháng bằng các phần tử hỗn hợp ..................... 40
Hình 2.7: Mạch phối hợp trở kháng L-transformer ....................................................... 41
Hình 2.8: Mạch L-transformer tƣơng đƣơng sau khi tách thành 2 thành phần.............. 42
Hình 2.9: mạch phối hợp L-network .............................................................................. 42
Hình 2.10 : Sơ đồ mạch Lc- network ............................................................................. 43
Hình 2.11: Chuyển đổi mạng π thành mạng L ............................................................... 44
Hình 2.12. Mạch chuyển đổi của T-transformer ............................................................ 46

8


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

Hình 2.13. Mơ hình tƣơng đƣơng mạch 𝜋 − 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒𝑟 ......................................... 48
Hình 2.14. Kết quả tính tốn và mơ phỏng mạch phối hợp sử dụng mơ hình πtransformer. .................................................................................................................... 50
Hình 2.15. Kết quả tính tốn (a), mơ phỏng (b) với trƣờng hợp BW=10Mhz.............. 53
Hình 2.16 : Sơ đồ tƣơng đƣơng của đƣờng truyền vi dải ............................................. 54
Hình 2.17. Sơ đồ tƣơng đƣơng phƣơng pháp sử dụng transmission line với dạng Ltransformer ..................................................................................................................... 56
Hình 2.18: Mạch πvới đƣờng truyền vi dải .................................................................... 57
Hình 2.19: Chuỗi mạch L-transformer sử dụng đƣờng truyền vi dải. ........................... 58
Hình 2.20: Giản đồ Smith mô tả việc phối hợp trở kháng ............................................. 59
Hình 2.21: Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng Transformer .......................................... 60
Hình 2.22: Sơ đồ cấu hình của coaxial cable transformer ............................................. 60
Hình2.23: Các dạng mạch tƣơng đƣơng của “coaxial cable transformer” .................... 61
Hình 2.24: Sơ đồ tƣơng đƣơng của transformer ở tần số thấp ....................................... 62
Hình 2.25: Sơ đồ transformer tỉ lệ 4:1 ........................................................................... 63
Hình 2.26: Sơ đồ tƣơng đƣơng của transformer sử dụng cable ..................................... 64
Hình 2.27: Cấu trúc một balun sử dụng cable đồng trục. .............................................. 65
Hình 2.28: Đáp ứng theo tần số của balun ..................................................................... 66
Hình 3.1: Hình ảnh minh họa transistor MRFE6VP5600HR6 ...................................... 69
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lý mơ phỏng đặc tuyến 1 chiều cho transistor ........................ 70
Hình 3.3: Kết quả khảo sát chế độ một chiều ................................................................ 71
Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng bộ tham số tán xạ S ............................................................. 72
Hình 3.5: Kết quả mơ phỏng S11 ................................................................................... 73
Hình 3.6: Sơ đồ mạch sau khi thêm hồi tiếp .................................................................. 73
Hình 3.7: Kết qura mô phỏng sau khi thêm mạch hồi tiếp ............................................ 74
Hình 3.8: Sơ đồ mơ phỏng load pull .............................................................................. 75

9


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF

băng rộng

Hình 3.9: Kết quả mơ phỏng load-pull .......................................................................... 76
Hình 3.10: Lựa chọn điểm trở kháng tại marker m3...................................................... 77
Hình 3.11: Nguyên lý balun ........................................................................................... 77
Hình 3.12: Kết quả mơ phỏng balun .............................................................................. 78
Hình 3.13: Sơ đồ mạch biến đổi trở kháng 4:1 đầu vào................................................. 79
Hình 3.14: Sơ đồ mạch biến đổi trở kháng 1:4 đầu ra ................................................... 79
Hình 3.15: Sơ đồ mạch khuếch đại ................................................................................ 80
Hình 3.16: Kết quả mơ phỏng ........................................................................................ 80
Hình 3.17: Sơ đồ mạch khuếch đại sau khi thêm các linh kiện phụ trợ......................... 81
Hình 3.18: Kết quả mơ phỏng sau khi thêm linh kiện ................................................... 81
Hình 3.19: Sơ mồ mơ phỏng cân bằng hài ..................................................................... 82
Hình 3.20: Kết quả mơ phỏng gain và cơng suất ra với tín hiệu lớn. ............................ 83
Hình 3.21: Kết quả mơ phỏng dịng điện tiêu thụ và hiệu suất ...................................... 83
Hình 3.22: Kết quả mơ phỏng các thành phần tần số hài............................................... 85

10


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong một hệ thống thu phát sóng vơ tuyến điện, khuếch đại công suất là một
khâu rất quan trọng và ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng, tính năng kỹ thuật của sản
phẩm.Nhu cầu truyền thông tin tốc độ càng cao, mạch khuếch đại cơng suất càng phải
có băng thơng rộng và “đa năng“- tức là có khả năng hoạt động ở một dải tần rất rộng.
Ngày nay, khuếch đại cơng suất đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc, từ việc phát

triển các công nghê chế tạo linh kiện khuếch đại thế hệ mới đến các kỹ thuật xây dựng
cấu trúc mạch khuếch đại công suất với băng thơng lớn, hiệu suất cao. Đi kèm với nó,
các mạng phối hợp trở kháng cũng phải đƣợc thiết kế sao cho mạch khuếch đại công
suất đạt đƣợc đầy đủ tính năng kỹ thuật. Do vậy tác giả quyết định chọn đề tài nghiên
cứu “ Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại
công suất RF băng rộng” nhằm mục đích nghiên cứu các phƣơng pháp làm cho một
mạch khuếch đại cơng suất có thể khuếch đại tín hiệu với một băng thơng lớn, cơng
suất cao.
2. Lịch sử nghiên cứu
Năm 1939, nhà khoa học mang tên Darlington đã đƣa ra lý thuyết về một hàm
toán học mô tả trở kháng bao gồm phần thực và phần ảo. Ngƣời ta nhận thấy rằng đồ
thị Smith ra đời với mục đích ban đầu là phân tích đƣờng truyền sóng cũng có thể áp
dụng đƣợc cho việc mơ tả một giá trị trở kháng. Lý thuyết về băng thông ra đời vào
năm 1948 đã bắt đầu giải quyết đƣợc các vấn đề tăng băng thông bằng cách sử dụng lý
thuyết bộ lọc. Năm 1956, kỹ thuật tối ƣu hóa ra đời để giảm thiểu một hàm vô hƣớng
phi tuyến của nhiều biến có thể bị hạn chế bằng nhiều cách khác nhau. Hiện nay, cùng
với sự phát triển của cơng nghệ số, các mơ hình hóa hệ thống, mạng phối hợp đƣợc đƣa
lên máy tính để thực hiện mơ phỏng thiết kế, giúp ngƣời thiết kế tiết kiệm đƣợc một

11


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

khoản chi phí cũng nhƣ tiết kiệm rất nhiều thời gian. Các phần mềm mô phỏng rất
mạnh hiện nay nhƣ ADS, AWR hay ANSYS đang ngày càng hoàn thiện và hiệu quả
hơn, giúp thiết kế dễ dàng và thuận tiện.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về các kỹ thuật phối hợp trở

kháng cho mạch khuếch đại công suất băng rộng và áp dụng một trong các kỹ thuật này
vào một mạch cụ thể.
Đối tƣợng nghiên cứu bao gồm: các transistor khuếch đại công suất, mạch phối
hợp trở kháng và các phần mềm hỗ trợ mô phỏng mạch điện.
Phạm vi nghiên cứu bao gồm: các thông số của một mạch khuếch đại công suất
băng rộng, cấu trúc một hệ thông khuếch đại công suất băng rộng và các kỹ thuật phối
hợp trở kháng băng rộng.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Trong phạm vi luận văn đã đƣa ra đƣợc các lý thuyết cơ bản của một mạch
khuếch đại công suất, các phƣơng pháp khuếch đại công suất băng rộng, các phƣơng
pháp phối hợp trở kháng băng rộng và ứng dụng mô phỏng một mạch cụ thể.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu chính thơng qua các nguồn tƣ liệu đã xuất bản, các bài
báo đăng trên các tạp chí khoa học, datasheet của linh kiện, các diễn đàn thảo luận liên
quan đến nội dung cần nghiên cứu.
Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích tính tốn lý thuyết và mô phỏng trên một
mạch cụ thể để kiểm chứng.

12


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp, cùng với việc tìm hiểu các sách báo trong
và ngồi nƣớc, tìm hiểu các thiết kế thực tế, tác giả đã chọn nghiên cứu để tài:“ nghiên
cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng ”. Nội dung của luận văn gồm có:
Chƣơng 1: Cơ bản về khuếch đại cơng suất cao tần

Chƣơng này trình bày lý thuyết cơ bản của một mạch khuếch đại công suất, các
thông số cơ bản và các phƣơng pháp khuếch đại để có thể đạt đƣợc băng rộng.
Chƣơng 2:Các phƣơng pháp phối hợp trở kháng băng rộng
Chƣơng này đƣa ra các phƣơng pháp phối hợp trở kháng băng rộng và phƣơng
pháp đánh giá.
Chƣơng 3: Thiết kế mạch khuếch đại trở kháng băng rộng
Chƣơng này trình cách thức xây dựng một mạch khuếch đại công suất băng
rộng, đồng thời áp dụng một trong các phƣơng pháp phối hợp trở kháng đã nêu.

13


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

ABSTRACT
In the framework of the thesis, along with the understanding of the paper at
home and abroad to find design facts, the author chose to research: "research refreshing
method to appeal" amplifies broad band RF power "The content of the thesis include:
Chapter 1: Basic of high frequency power amplifier
This chapter presents the basic theory of a power amplifier, basic parameters
and amplification methods in order to achieve broadband.
Chapter 2: Broadband impedance matching methods
This chapter outlines methods for combining broadband impedance and
evaluation methods.
Chapter 3: Broadband impedance circuit design
This chapter demonstrates how to build a broadband power amplifier while
applying one of the stated impedance matching methods.

14

Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

CHƢƠNG 1: CƠ BẢN VỀ KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT CAO
TẦN
1.1. Khái niệm
Khuếch đại cơng suất là một phần quan trọng của một thiết bị thơng tin vơ tuyến
điện. Hình 1.1 mơ tả vị trí của mạch khuếch đại công suất trong một hệ thống thông tin
đơn giản. Khuếch đại công suất đƣợc hiểu là một mạch điện dùng để chuyển đổi điện
áp một chiều thành năng lƣợng sóng cao tần bằng cách khuếch đại tín hiệu cao tần đầu
vào.

Hình 1.1: Sơ đồ khối một hệ thống thơng tin đơn giản
Có nhiều cách để có thể thiết kế một mạch khuếch đại công suất cao tần, tùy từng
ứng dụng và yêu cầu cụ thể, ngƣời thiết kế sẽ lựa chọn một dạng mạch cụ thể.
1.2. Các thông số cơ bản của một mạch khuếch đại công suất cao tần
1.2.1. Công suất đầu ra
Công suất nhận đƣợc trên tải đƣợc coi nhƣ là công suất đầu ra Pout . Trong hầu hết
các trƣờng hợp, mọi ngƣời chỉ quan tâm tới công suất tại điểm tần số cơng tác (
fundamental frequency). Tuy nhiên Pout đƣợc tính tốn bởi thành phần dòng điện qua
tải iout và điện áp trên tải vout và đƣợc tính bởi cơng thức:

15


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

Pout = ½ real(vout * iout) |f=fo

(1.1)

Transistor đƣợc sử dụng trong mạch khuếch đại cơng suất phải có một số thơng
số điển hình nhƣ IDSS ( drain saturation current) và Vbr(breakdown voltage). Thƣờng thì
các thông số này sẽ giống nhau cho phần lớn các transistor và sẽ quyết định tới công
suất ra lớn nhất của transistor.
1.2.2. Độ lợi công suất ( power gain)
Độ lợi của một mạch khuếch đại là tỉ số giữa công suất đầu ra và công suất đầu
vào mạch khuếch đại và nó đƣợc định nghĩa bằng nhiều cách. Với mạch khuếch đại
công suất, định nghĩa thƣờng đƣợc dùng của độ lợi công suất là độ lợi công suất
chuyển đổi ( GT) và độ lợi hoạt động ( GP). Các định nghĩa
𝐺𝑇 =

𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛 𝑕ậ𝑛đượ𝑐𝑡𝑟 ê𝑛𝑡 ả𝑖

𝐺𝑃 =

𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛 𝑕ậ𝑛đượ𝑐𝑡𝑟 ê𝑛𝑡 ả𝑖

𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔𝑛𝑔𝑢 ồ𝑛𝑝 𝑕á𝑡

𝑛ă𝑛𝑔𝑙 ượ𝑛𝑔 đầ𝑢𝑣à𝑜𝑘𝑕𝑢ế𝑐𝑕đạ𝑖

=

𝑃𝑜𝑢𝑡

=

𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑎𝑣𝑠

𝑃𝑖𝑛

(1.2)
(1.3)

1.2.3. Độ đồng đều khuếch đại ( gain flatness)
Độ đồng đều khuếch đại là sự thay đổi của độ lợi khuếch đại theo tần số. Sự thay
đổi của độ lợi theo tần số có thể sẽ gây ra méo. Do vậy, các mạch khuếch đại cơng suất
phải có độ đồng đều nhất định trong cả dải tần hoạt động mong muốn.
1.2.4. Hiệu suất
Hiệu suất có thể đƣợc xác định bằng nhiều cách, cách thƣờng dùng nhất là hiệu
suất cực máng (drain efficiency – η ) và hiệu suất chèn (power added effiency - PAE).
Hiệu suất cực máng đƣợc định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất đầu ra (Pout) và tổng
công suất tiêu thụ nguồn điện ( PDC) và đƣợc tính theo cơng thức:
𝜂=

𝑃𝑜𝑢𝑡

(1.4)

𝑃𝐷𝐶

16

Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

PAE đƣa ra ảnh hƣởng của cơng suất đầu vào tới mạch, đƣợc tính bởi công thức:
𝑃𝐴𝐸 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 −𝑃𝑖𝑛
𝑃𝐷𝐶

(1.5)

Ở đây, Pout =PinGp,
𝑃𝐴𝐸 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 −𝑃𝑖𝑛
𝑃𝐷𝐶

=

𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝐷𝐶

1−

1
𝐺𝑝

=η 1−

1

𝐺𝑝

(1.6)

Công thức trên cho thấy PAE phụ thuộc vào độ lợi của mạch khuếch đại. Nếu độ lợi rất
nhỏ ( nhỏ hơn 1), PAE có thể ra giá trị âm.
1.2.5. Độ tuyến tính
Độ tuyến tính là một thơng số rất quan trọng của một hệ thống cao tần băng
rộng. Tín hiệu phi tuyến vào lớn có thể làm đầu ra đạt giá trị cực đại và gây hiện tƣợng
cắt đỉnh tín hiệu. Tính phi tuyến của một mạch khuếch đại gây ra méo AM-AM và méo
AM-PM. Có nhiều cách đánh giá độ phi tuyến của một mạch khuếch đại. Cách đơn
giản nhất là đo điểm nén 1dB ( P1dB) cho tín hiệu đơn tần. Phƣơng pháp thứ 2 là đo
sóng đôi ( two-tone), phƣơng pháp này sẽ đƣa ra thông tin về méo điều chế trong,
thƣờng dùng đo điểm cắt méo bậc 3 ( third-order intermodulation distortion – IMD3).
Độ tuyến tính thƣờng tỉ lệ nghịch với hiệu suất làm việc. vd với mạch khuếch
đại chế độ A, độ tuyến tính rất cao nhƣng hiệu suất rất thấp. Các chế độ hoạt động khác
nhƣ B hay AB có độ tuyến tính rấp thấp nhƣng lại có hiệu suất cao. Có một số phƣơng
pháp thay đổi cấu trúc mạch sao cho vừa có hiệu suất cao, vừa có độ tuyến tính cao
nhƣ : feed-forward, Doherty, khử và khôi phục đƣờng bao và LINC ( khuếch đại tuyến
tính với các phần tử phi tuyến).

17


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

1.2.6. Độ ổn định
Độ ổn định là một yêu cầu chắc chắn khi thiết kế mạch khuếch đại cơng suất và
có thể đƣợc đánh giá bởi ma trận tán xạ S, mạng phối hợp trở kháng. Dao động bị sinh

ra khi đầu vào hoặc đầu ra xuất hiện giá trị trở kháng âm. Chúng xuất hiện khi |Γ|IN>
1hoặc |Γ|OUT> 1. Hệ số ổn định K thƣờng đƣợc đánh giá và đƣợc đƣa ra bởi phƣơng
trình:
𝐾=

1−|𝑆11 |2 −|𝑆22 |2 + ∆2
2|𝑆12 𝑆21 |

∆= |𝑆11 𝑆22 − 𝑆12 𝑆21 |

(1.7)

Nếu K>1 và |∆| <1, thiết kế sẽ không đạt trạng thái ổn định. Hệ thống đạt ổn định khi
K<1.
Khi một mạch khuếch đại rơi vào trạng thái mất ổn định, mạch điện sẽ tự dao
động và cộng hƣởng tần số đó lên và gây ra hiện tƣợng tự kích. Nếu khơng xử lý hiện
tƣợng tự kích kịp thời, mạch điện sẽ bị hƣ hỏng.
1.3. Các chế độ hoạt động của mạch khuếch đại công suất
Bản chất của việc thiết kế mạch khuếch đại công suất là việc lựa chọn điểm định
thiên cho transistor và thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào và ra để đạt đƣợc yêu cầu
kỹ thuật. Với mỗi điểm định thiên và mạng phối hợp trở kháng, mạch khuếch đại đƣợc
phân loại theo chế độ và đƣợc gán theo các chữ cái theo bảng chữ cái alphabet. Hình
1.2 mơ tả cấu trúc cơ bản của một mạch khuếch đại. Mục đích của mạch phối hợp dùng
để tìm ra trở kháng yêu cầu của transistor bằng cách sử dụng các phần tử rờirạc.

18


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

Hình 1.2: Cấu trúc một mạch khuếch đại cơ bản.
Chƣơng này sẽ giới thiệu vắn tắt các chế độ hoạt động của một mạch khuếch đại
công suất.
Chế độ A, B, AB, C là các chế độ hoạt động “thơng thƣờng”. Hình 1.3 chỉ ra
một mơ hình phân loại các chế độ dựa trên điểm phân cực của transistor. Điểm chung
của các chế độ hoạt động này là điện áp đầu ra có dạng hình sin và có sự xuất hiện của
các tín hiệu phổ hài.
Chế độ E, F đƣợc biết là các chế độ chuyển mạch. Lúc này transistor hoạt động
giống nhƣ một khóa chuyển mạch. Mạch khuếch đại chế độ chuyển mạch yêu cầu
mạch phối hợp trở kháng đầu ra cần một bộ cộng hƣởng do vậy không phù hợp cho
mạch khuếch đại dải rộng.
Chế độ F và F-1( đảo chế độ F) là chế độ sử dụng các tín hiệu hài. Chế độ
khuếch đại này có hiệu suất cao hơn so với các chế độ khác. Chế độ này yêu cầu một
mạch phối hợp trở kháng ra phức tạp và có băng thông hoạt động nhỏ nhất trong tất cả
các chế độ.

19


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

Hình 1.3: Phân loại transistor dựa trên điện áp phân cực.
Chế độ J, chế độ JB hiện đang đƣợc phát triển trong thời gian gần đây. Không
giống các chế độ khác, bản thân các transistor có các tụ điện đầu ra lớn để đạt đƣợc
băng thông hoạt động lớn hơn.
1.3.1. Khuếch đại chế độ A
Một mạch khuếch đại chế độ A có góc mở transistor là 3600, vì vậy transistor
ln mở. Do năng lƣợng một chiều luôn khác 0 nên hiệu suất rất thấp khi so với các

chế độ hoạt động khác. Hình 1.4 chỉ ra mạch khuếch đại chế độ A đƣợc định thiên tại
điểm giữa điểm dòng điện đầu ra lớn nhất và điểm khơng có dịng điện ra.

20


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại cơng suất RF
băng rộng

Hình 1.4: Góc mở dịng điện chế độ A

Hình 1.5: Dạng sóng dịng điện và điện áp chế độ A
Khuếch đại chế độ A là chế độ hoạt động đơn giản nhất. Điểm tải tĩnh đƣợc định
thiên tại điểm giữa của đƣờng tải tĩnh. Do vậy transistor hoạt động cả 2 nửa chu kỳ tín
hiệu do góc mở α = 360o. Kết quả, Khuếch đại chế độ A sẽ có độ tuyến tính cao nhất

21


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

bởi transistor hoạt động giữa điểm cắt và bão hòa. Nhƣợc điểm của chế độ này là hiệu
suất rất thấp, theo lý thuyết, hiệu suất cao nhất là 50%. Chế độ này đƣợc sử dụng nhiều
nhất trong hệ thống cao tần bởi độ tuyến tính cao và khi khơng cần q quan tâm tới
hiệu suất hoạt động.
1.3.2. Khuếch đại chế độ B
Với chế độ B, điểm tải tĩnh đƣợc đặt tại ngƣỡng hoạt động của transistor. Góc
mở lúc này là 1800, và theo lý thuyết, hiệu suất tối đa đạt đƣợc là 78.5%. Độ tuyến tính
giảm xuống do transistor chỉ hoạt động ở một nửa chu kỳ tín hiệu. Và cũng theo lý

thuyết, chế độ B cũng đạt độ tuyến tính cao nhƣng khơng bằng chế độ A nhƣng yêu
cầu đầu vào có mức biên độ tín hiệu lớn hơn. Dạng sóng dịng điện và điện áp đầu ra
mạch khuếch đại chế độ B đƣợc chỉ ra trên hình 2.5. Chế độ B thƣờng đƣợc thực hiện
ở mạch khuếch đại công suất kiểu đẩy-kéo. Kiểu khuếch đại này sử dụng 2 transistor
song song, mỗi transistor khuếch đại một nửa chu kỳ tín hiệu. Ở mạch khuếch đại kiểu
đẩy-kéo, toàn bộ hài bậc chẵn của dịng tải đƣợc loại bỏ.

Hình 1.6: Dạng sóng dịng điện và điện áp ở chế độ B.

22


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

1.3.3. Khuếch đại chế độ AB
Góc mở α của khuếch đại chế độ AB nằm giữa 1800 và 3500. Khi này, điểm tải
tĩnh đƣợc đặt ở điểm giữa chế độ A và B. Việc chọn điểm tải tĩnh sẽ cân đối giữa việc
chọn hiệu suất và độ tuyến tính và đây cũng là ƣu điểm của chế độ AB. Chế độ AB
thƣờng đƣợc sử dụng ở mạch khuếch đại kiểu đẩy-kéo.
1.3.4. Khuếch đại chế độ C
Với mạch khuếch đại chế độ C, điểm định thiên của transistor nằm phía dƣới
điểm ngƣỡng điện áp hoạt động. Lúc này góc mở α nằm giữa 00 và 1800. Hiệu suất
hoạt động lúc này rất cao nhƣng độ tuyến tính kém. Chế độ hoạt động này chỉ đƣợc sử
dụng ở những ứng dụng yêu cầu độ tuyến tính không cao hoặc đƣợc sử dụng kết hợp
với transistor khác trong kỹ thuật tuyến tính hóa.
1.3.5. Khuếch đại chế độ chuyển mạch
Mạch khuếch đại công suất ở dạng chuyển mạch có thể đƣa ra hiệu suất cao hơn
dạng hỗ dẫn. Ở dạng này, transistor đƣợc điều khiển bởi một tín hiệu đầu vào lớn và
transistor giống nhƣ một chuyển mạch điện tử hơn là một nguồn dòng. Sự chồng lấn

giữa dòng điện non-zero và điện áp non-zero theo thời gian là rất nhỏ khiến hiệu suất
đạt đƣợc rất cao. Theo nguyên lý, hiệu suất hoạt động lúc này có thể đạt đƣợc 100%
mà không thay đổi mức công suất đầu ra. Độ tuyến tính ở dạng này thấp, tuy nhiên, có
một số cấu trúc bộ khuếch đại sử dụng chế độ này và sử dụng một số kỹ thuật nhằm
tăng độ tuyến tính nhƣ LINC (Linear amplification using nonlinear components –
khuếch đại tuyến tính sử dụng phần tử phi tuyến) và EER (Envelop Elimination and
Eestoration - khử và khôi phục đƣờng bao) .
Một trong những chế độ thƣờng gặp nhất ở dạng này là chế độ E với transistor
hoạt động nhƣ một chuyển mạch bật-tắt. Dòng điện cực máng và điện áp không chồng
lấn nhau liên tục nên công suất tiêu tán tối thiểu và hiệu suất tối đa. Một mạch khuếch

23


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

đại chế độ E điển hình đƣợc chỉ ra trên hình 1.7. Đầu ra bao gồm một tụ điện nhánh C
và một mạch cộng hƣởng nối tiếp đƣợc mắc nối tiếp với một phần tử kháng jX và tải
đầu ra RL . Mạch cộng hƣởng nối tiếp cộng hƣởng tại tần số đầu vào làm cho tín hiệu
đầu ra sẽ có dạng hình sin. Phần tử kháng jX đƣợc điều chỉnh để dịch pha giữa điện áp
đầu ra trên tải và điện áp trên cực máng.

Hình 1.7: Sơ đồ mạch khuếch đại chế độ E
Ƣu điểm lớn nhất của mạch khuếch đại chế độ E là sự chuyển mạch mềm, nó
giúp làm giảm tổn hao chuyển mạch và cấu trúc mạch đơn giản hơn so với mạch
khuếch đại chế độ F. Tuy nhiên, nhƣợc điểm lớn nhất của mạch khuếch đại chế độ E là
có sự xuất hiện điện áp đỉnh tại cực máng khi tụ C đƣợc nạp. Có 2 cách để giải quyết
vấn đề này. Phƣơng pháp 1 là giảm điện áp đỉnh và chấp nhận giảm một chút hiệu suất.
Phƣơng pháp 2 là sử dụng transistor có điện áp chịu đựng lớn hơn.

Mạch khuếch đại chế độ F sử dụng kỹ thuật “bẫy hài – harmonic traps” để làm
cho hài bậc chẵn và bậc lẻ ngắn mạch và hở mạch lần lƣợt. Kỹ thuật này làm cho tín
hiệu hình vng đầu ra bị uốn trịn và trở thành tín hiệu hình sin. Chế độ F có thể đạt
hiệu suất rất cao bởi sự chồng lấn giữa điện áp và dòng điện là nhỏ nhất. Chế độ hoạt

24


Nghiên cứu các phƣơng pháp phối hợp trở kháng cho mạch khuếch đại công suất RF
băng rộng

động F- đảo với tên gọi là F-1, có cấu trúc tƣơng tự chế độ F nhƣng hài bậc chẵn hở
mạch trong khi hài bậc lẻ bị ngắn mạch.
1.4. Giới hạn băng thông trong thiết kế mạch khuếch đại công suất
1.4.1. Giới hạn băng thông của mạng phối hợp trở kháng
Nhƣ phần giới thiệu có đề cập, mục đích của mạng phối hợp trở kháng là để
chuyển đổi trở kháng hệ thống, điển hình là 50ohm, thành trở kháng làm cho các phần
tử đạt đƣợc kết quả mong muốn. Trong trƣờng hợp của khuếch đại công suất, trở kháng
đầu ra mong muốn phụ thuộc vào chế độ hoạt động của mạch và kích thƣớc transistor.
Một transistor có cơng suất cao sẽ có kích thƣớc vật lý lớn và có trở kháng ra tối ƣu
thấp hơn.
Phối hợp trở kháng yêu cầu chỉ tại một tần số, ta có thể thực hiện dễ dàng thơng
qua một vài kỹ thuật phối hợp. Tuy nhiên, duy trì trở kháng trong cả một dải tần số là
một thách thức khó khăn. Lý do chính của vấn đề này do trở kháng của mạng phối hợp
bị thay đổi theo tần số. Điều này là không thể tránh khỏi do các phần tử cấu thành
mạng phối hợp là các phần tử có nhiều thơng số phụ thuộc tần số nhƣ tụ điện, cuộn
cảm và đƣờng truyền song. Phối hợp trở kháng dải rộng có thể đạt đƣợc bằng cách thiết
kế cẩn thận nhƣng nó khiến thiết kế trở nên phức tạp.
Bởi vì sự khó khăn trong việc phối hợp trở kháng tại một tần số thông qua một
dải tần rộng nênmục tiêu là tạo ra một dải trở kháng phối hợp. Ví dụ khi cơng suất đầu

ra sẽ đƣợc phép xê dịch trong khoảng 1dB của công suất đầu ra khi đạt đƣợc trở kháng
tối ƣu. Tập hợp các điểm trở kháng này tạo nên các đƣờng đồng mức và đƣợc đo đạc
trực tiếp sử dụng hệ thống đo tải-đẩy hoặc thông qua mô phỏng.
Khi thiết kế một mạng phối hợp, có một giới hạn băng thơng mà mạng phối hợp
có thể đạt đƣợc một tỉ số biến đổi trở kháng. Tỉ số biến đổi trở kháng càng cao càng
làm giảm băng thơng. Một transistor cơng suất nhỏ sẽ có trở kháng đầu ra lớn hơn, vì

25