Điện tử tương tự II đề tài THIẾT kế MẠCH KHUẾCH đại CÔNG SUÂT PA ở tần số 2 6GHz CHO 5g SUBBAND

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Điện tử - Viễn thông

Điện tử tương tự II
Đề tài:

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUÂT PA
Ở TẦN SỐ 2.6GHz CHO 5G SUBBAND

GVHD: TS.Nguyễn Anh Quang
SVTH:
Nguyễn Tất Đạt
• Nguyễn Khắc Trung
• Lê Văn Tuấn
•

20172455
20175665
20175666


January 11, 2022

Lời nói đầu
Bộ khuếch đại cơng suất (PA) là khối tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong hệ
thống
truyền phát RF (Radio frequency). Khối PA sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ ở tần
số

cao

lên tín hiệu lớn ở tần số cao ra anten để đủ công suất truyền đi xa. Việc thiết kế 1 bộ PA
luôn

là

1 vấn đề khó. Ở báo cáo này, bọn em trình bày về thiết kế 1 bộ PA hoạt động ở tần sô
2.6GHz
cho 5G sub band sử dụng 1 transitor MOSFET.


MỤC LỤC


Danh mục bảng biểu


Chương 1. Phương án thiết kế
1.1.

Yêu cầu của bộ khuếch đại

•

Bộ khuếch đại phải hoạt động ở tần số 2.6GHz.

•

Đảm bảo khuếch đại đủ công suất để truyền ra anten

1.2.

Thiết bị sử dụng
Thiết bị sử dụng là CG2H40010F, 1 HEMT (high electron mobility transistor)

được cung cấp bởi hãng Wolfspeed. Thiết bị được lựa chọn vì có thể hoạt động tốt ở
tần số 2.6GHz yêu cầu và có hiệu suất khá tốt (60%-70% ở nhiệt độ 250 c).

1.3.

Bias network
Mô phỏng 1 chiều cho transistor để tìm ra đường làm việc 1 chiều, từ đó quyết

định chế độ làm việc cho transistor.

1.4.

Xác định S-parameters
Ma trận phân tán S là cần thiết trong thiết PA, xác định các hệ số phản xạ và độ

lợi của thiết bị sử dụng từ đó tính tốn tính ổn định (K factor) và có phương án phối
hợp trở kháng phù hợp.

1.5.

Thiết kế mạch

Từ các nguồn
transistor,
mô class
phỏng

xác
dụng
thông
mạchsố
phối
ở trên
hợpmà
trở sẽ
kháng
quyết
phù
định
hợp.
điểm
Trở làm
kháng
việc
tảicủa
và
trở
kháng
sẽ sử
đều
làđịnh
50và-Q.

5


Chương 2. Thiết kế mạch

Trước khi đi vào thiết kế cụ thể thì nhóm sẽ đưa ra các quyết định lựa chọn cho
mạch. Khi xem xét đến việc lựa chọn giữa các class của bộ khuếch đại thì nhóm đã
quyết định chọn 1 bộ khuếch đại tuyến tính do chưa có kinh nghiệm nhiều trong thiết
kế mạch, và class AB đã được lựa chọn do vừa đảm bảo hiệu suất và độ tuyến tính so
với class A và B. Với trở kháng tải và trở kháng nguồn sẽ đều là 50 fí, mơ hình mạch
sẽ gồm 1 tầng khuếch đại, tải và nguồn và 2 khối matching cho đầu vào và đầu ra:

Source

Input
Matching

Amplifier

2.1.Mô phỏng 1 chiều
Thực hiện mô phỏng IV Curve cho transistor:

Output
Matching

Load


FET Curve Tracer

I ..,1 VAR
Lszj
VAR1
VDS =0 V
VGS =0V

+ V_DC
-=-SRC1
Vdc=VDS
3
PacX1
RTH=8.0
TBASE=25
VDN=28

■ V_DC
* SRC2
-=- VdC=VGS

Sweepl
SweepVar="VGS"
Sim InstanceNam e[1 ]="DC1"
Sim InstanceNam e[2]=
s im InstanceNam e[3]=
s im InstanceNam e[4]=
s im InstanceNam e[5]=
s im InstanceNam e[6]=
Start=-4
Stop=-2
Step=0.1

DC1
SweepVar="VDS"
start=o

stop=40
Step=0.5
Set drain and gate voltage
sweep limits as needed
[SI -iisplayTemplate
disptempl
"FẺT C lirvelracer"

Hình 2.1. Mạch mô phỏng IV Curve

Tham khảo datasheet của thiết bị ở nhiệt độ 250 C, điểm làm việc của thiết bị là
Q{VDS=28 V, VGS=-2.7 V, ID=200 mA}. Từ mô phỏng ta sẽ có đường đặc tuyến của
thiết bị như sau:

Hình 2.2. Đường đặc tuyến của transistor sử dụng

Điểm hoạt động m2 đã được tính gần đúng là điểm có dịng điện IDS cực đại. từ đó có
đường tải 1 chiều nối từ m2 đến m1 (điểm làm việc Q). Nhóm quyết định chọn m1 là
điểm làm việc của transistor vì class AB được lựa chọn.


2.2.

Ma trận tán xạ 2 cổng S-parameters

Để xác định các tham số S của transistor nhóm đã mơ phỏng thơng qua ADS:

Hình 2.3. Mơ phỏng S-param và K stab

Trong q trình mơ phỏng nhóm nhận thấy khi đặt trước cổng G của transistor 1 điện

trở 5fí thì độ ổn định K của mạch tốt hơn, đảm bảo K > 1. Mô phỏng được thực hiện
theo điểm làm việc m1 VDS = 28V và VGS = -2.7V Kết quả thu được như sau:


Hình 2.4. S parameters của transistor

Kết quả các tham số S ở tần số 2.6GHz được ghi lại như sau:
[ S 1 0.667 L1660
_[

4,47

0.023
0,494 L-1660]

Với |S11|<1 ,|S22|<1 và S12 gần như bằng 0 có thể coi transistor là ổn định khơng điều
kiện. Từ đó có thể xác định hệ số phản xạ ở đầu vào và đầu ra của transitor :
rs = Sóu = 0.667 L-1660
r L ó S 2 = 0,494 L1660
2

2.3.

Mạch phối hợp trở kháng

Từ các thông số S của transistor giờ ta có thể thiết kế được mạch khuếch đại qua sơ đồ
khối sau:


Hình 2.5. Sơ đồ khối bộ PA với gain từng tầng

Gain của từng tầng có thể được thấy như trên. GS là gain của tầng phối hợp trở kháng
đầu vào, G0 là gain của transistor, và GL là gain của tầng phối hợp trở kháng đầu ra.
Gain của toàn mạch sẽ là gain của các tầng nhân lại.
Sử dụng công cụ Smithchart có sẵn trong ADS ta có thể tính toán cho các mạch
matching đầu vào và đầu ra. Mạch phối hợp trở kháng sẽ gồm 2 transmission line. Ở
đầu vào và đầu ra của mạch có 1 tụ điện với nhiệm vụ ngăn chặn dòng 1 chiều đi qua.
Điện áp VDS và VGS được cấp vào transistor từ nguồn DC thơng qua cuộn cảm (RF
choke). Vậy mạch matching có 4 thành phần chính : L,C và 2 TLIN.

• Mạch matching cho đầu vào:


Hình 2.6. SmithChart cho mạch matching đầu vào

Từ sử dụng Smithchart sẽ thu được các giá trị:
C1 = 1.92 pF
L1 = 663 pH
TL1 : Z = 50fí, E = 21.24 Deg
TL2 : Z = 50 Q, E = 138.77 Deg


• Mạch matching cho đầu ra:

Hình 2.7. SmithChart cho mạch matching đầu ra

Từ sử dụng Smithchart sẽ thu được các giá trị:
C2 = 1.33 pF
L1 = 441.14 pH
TL3 : Z = 50fí, E = 153.06 Deg

TL4 : Z = 50 Q, E = 16.81 Deg

2.4.

Thiết kế mạch
Sau xác định được mạch phối hợp trở kháng thì nhóm sẽ tiến hành thiết kế và

mô phỏng mạch khuếch đại PA:


Hình 2.8. Mạch khuếch đại PA ở tần số 2.6GHz
•

Bias circuit: Mạch phân cực gồm 2 nguồn điện 1 chiều chảy vào cự D và cự G
của transistor, 28V cho D và 2.7 V vào G. Sau nguồn DC sẽ là 1 cuộn cảm và ở
đầu vào và đầu ra của mạch sẽ có tụ điện ngăn nguồn 1 chiều như đã nêu ở trên.

•

>
>
>

Gain: Từ cơng thực tính gain ở trên ta có thể tính được gain của mạch như sau :
GS = 1.8 = 2.55 dB
G0 = 20 = 13 dB
GL = 1.3 = 1.14 dB
Vậy có GT = GS + G0 + GL = 16.69 dB

2.5.

Mơ phỏng

Hình 2.9. S11 của mạch

Sau khi chạy mơ phỏng thì có thể thấy mạch hoạt động tại đúng tần số 2.6GHz.
Tuy nhiên thiết kế của nhóm lại khơng đảm bảo về công suất đầu ra, hệ số S21 của
mạch tại tần số hoạt động rất bé:

Hình 2.10. Thơng số S21 của mạch

Điều này cho thấy gain thu được không như mong muốn và công suất đầu ra của mạch
cũng ở mức rất nhỏ:


m2
RFpower=30.000
HB.Pdel đBm =-0.884

-35-----1 I I I I
0

IIIIII
5

10

IIIII
15

IIIII
20

IIIII
25

IIIII

III

30

35

RFpower

Hình 2.11. Cơng suất đầu ra[dBm]

Chương 3. Kêt luận
Ở bài tập này nhóm đã thiết kế được 1 bộ khuếch đại công suất đơn giản hoạt
động ở tần số 2.6GHz, tuy nhiên chưa đạt yêu cầu về công suất đầu ra. Bộ khuếch đại
gồm 1 tầng khuếch đại công suất và 2 khối phối hợp trở kháng ở đầu vào và đầu ra của
mạch, và 2 mạch phân cực cho cực D và cực G của transistor. Nhiều mơ phỏng và tính
tốn đã được thực hiện để tối ưu hóa cơng suất đầu ra cùng với đảm bảo tính ổn định
của mạch. Cuối cùng nhóm cũng chưa đạt được mục tiêu đề ra của bài tập nhưng cũng
đã tìm hiểu và học hỏi được nhiều kiến thức liên quan đến thiết kế 1 bộ PA sử dụng
cho RF. Trong tương lai nhóm sẽ tìm hiểu và củng cố kiến thức để hoàn thiện đề tài.

Tài liệu tham khảo
[1] Datasheet của HEMT CG2H40010F, hãng Wolfspeed.
[2] Mohamed El-Dakroury, Design and analysis of class AB RF power ampliíier for
wireless communication applications, University of Central Florida.
[3] Shiva Ghandi Isma Ilamaran, Zubaida Yusoff, JahariahSampe, 0.5GHz - 1.5GHz
Bandwidth 10W GaN HEMT RF Power Ampliíier Design, Malaysia.
[4] Wonseob Lim, Hwiseob Lee, Hyunuk Kang, Wooseok Lee, Kang-Yoon Lee,
Keum
Cheol Hwang, Youngoo Yang, and Cheon-Seok Park, 2.6 GHz GaN-HEMT
Power
Ampliíier MMIC for LTE Small-Cell Applications.


[5] Behzad Razavi, RF Microelectronics, 2011, Prentice Hall.