1

4.8 Tính toaùn LNA

CHÖÔNG IV

NHIEÃU VAØ KHUYEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP (LNA)

4.1 Ñaët vaán ñeà

4.2 Nhieãu nhieät ( thermal noise).

4.3 Nhieãu baùn daãn (Transistor noise)

4.4 Maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu vaø tính toaùn

4.5 Tính toaùn nhieãu

4.6 Baùn daãn khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA

4.7 Nhieãu trong khuyeách ñaïi baùn daãn

2

4.1 ÑAËT VAÁN ÑEÀ:

Nhieãu (Taïp aâm) laø tín hieäu khoâng mong muoán, xuaát hieän töø nhieàu nguoàn khaùc nhau, ( döôùi daïng ñieän aùp hay doøng ñieän ) cheøn vaøo tín hieäu höõu ích laøm giaûm chaát löôïng tín hieäu thu daãn ñeán sai leäch thoâng tin.

Nhieãu vaán ñeà raát quan troïng cuûa ñieän töû thoâng tin vaø xöû lyù tín hieäu .

Chaát löôïng thu cuûa heä thoáng ñieän töû thoâng tin ñaùnh giaù theo tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu ngoõ vaøo maùy thu.

Hay

Chæ söï töông quan ñoä maïnh cuûa tín hieäu so vôùi nhieãu. Neáu nhoû hôn giaù trò

aán ñònh ngöôõng, tín hieäu thu khoâng ñaït chaát löôïng, thoâng tin bò sai leäch .

Nhieãu coù theå ñöôïc chia thaønh 2 loaïi:

- Nhieãu ngoaøi: gaây ra bôûi moâi tröôøng truyeàn.

- Nhieãu trong (noäi): gaây ra do thieát bò thu.

SN

SN

N

S

N

S

P

PdB

N

S

P

P

N

S

lg10)(

)(

)(

nhieãucuûabìnhtrungsuaátcoâng

hieäutíncuûabìnhtrungsuaátcoâng

3

1. Nhieãu ngoaøi:

a/ Nhieãu nhaân taïo: gaây ra bôûi caùc cô cheá tia löûa ñieän nhö: ñoäng cô ñieän, ñeøn huyønh quang, ñaùnh löûa ñoäng cô xe v.v… chuùng ñeán aêng ten thu theo caùch gioáng nhö tín hieäu voâ tuyeán. Nhieãu naøy xuaát hieän ngaãu nhieân ôû vuøng taàn soá döôùi 500MHz.

b/ Nhieãu khí quyeån: moät daïng nhieãu ngaãu nhieân gaây bôûi söï xaùo ñoäng baàu khí quyeån traùi ñaát, chuû yeáu do saám chôùp. Phoå cuûa noù ñöôïc xem nhö laø voâ haïn, nhöng coù maät ñoä tyû leä nghòch vôùi taàn soá do ñoù thöôøng chæ gaây aûnh höôûng trong vuøng taàn soá nhoû hôn 20MHz.

c/ Nhieãu vuõ truï: gaây ra bôûi böùc xaï maët trôøi, maët traêng, sao, thieân haø, v.v… Chuùng coù phoå töø 8MHz ñeán 1,5MHz. Thaät ra chuùng coù chöùa thaønh phaàn taàn soá thaáp hôn 8MHz, tuy nhieân caùc thaønh phaàn ñoù bò haáp thuï bôûi taàng ñieän ly cuûa traùi ñaát tröôùc khi ñeán maët ñaát.

2/ Nhieãu trong:

Nhieãu trong hay coøn goïi laø nhieãu noäi ñöôïc taïo ra bôûi chính maùy thu. Nhö vaäy ngoaøi söï hieän dieän cuûa nhieãu ngoaøi ôû ngoõ vaøo maùy thu, coøn coù nhieãu noäi qui veà ngoõ vaøo, gaây aûnh höôûng maïnh nhaát taïi taàng khuyeách ñaïi ñaàu tieân cuûa maùy thu ( RX) vì taïi nôi ñaây tín hieäu thu coù möùc nhoû nhaát treân neàn nhieãu lôùn nhaát do ñoù nhoû nhaát. Caùc taàng khuyeách ñaïi sau taàng ñoåi taàn cuõng taïo nhieãu nhöng ít aûnh höôûng so vôùi taàng ñaàu. Maùy thu phaûi ñöôïc thieát keá caån thaän vôùi ñaëc tính nhieãu thaáp. Taàng khuyeách ñaïi cao taàng nhieãu thaáp ngoõ vaøo RX coøn goïi laø khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA ( Low noise Amp).

Nhieãu noäi ngaãu nhieân trong maùy thu phaàn lôùn ôû daïng nhieãu nhieät, nhieãu shot, nhieãu 1/f, transit-time noise.

N

S

4

Nhieãu ngaãu nhieân noùi chung, ñöôïc moâ taû baèng ñaëc tính thoáng keâ. Taïi moãi thôøi ñieåm, bieân ñoä nhieãu khoâng theå döï ñoaùn chính xaùc, nhöng coù theå dieãn ñaït qua haøm maät ñoä xaùc suaát.

Giaù trò trung bình bình phöông cuûa ñieän aùp hay doøng ñieän nhieãu ñöôïc dieãn taû nhö coâng suaát nhieãu. Ngoaøi ra nhieãu cuõng thöôøng bieåu dieãn döôùi daïng haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu ( W/Hz).

4.2 NHIEÃU NHIEÄT ( THERMAL NOISE ) Nhieãu nhieät gaây ra bôûi söï dòch chuyeån ngaãu nhieân cuûa caùc ñieän töû vaø ion trong caùc vaät daãn ñieän trôû. Noù ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt hieän bôûi J.B John Son naêm 1928 neân coøn goïi laø nhieãu Johnson. Nhieãu nhieät phaùt sinh ôû daïng ñieän aùp hay doøng ñieän phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, coù phoå traûi daøi voâ haïn neân coøn coù teân laø nhieãu traéng.

Coâng suaát nhieãu nhieät xaùc ñònh bôûi:

N=Pn=k.T.B

k - haèng soá Botlzmann 1,38.10-23 J/K.

T- Nhieät ñoä tuyeät ñoái ñieän trôû, tính baèng ñoä K ( X0C +2730)

B - Baêng thoâng heä thoáng ñang xeùt ( Hz) .

Coâng suaát nhieãu tyû leä vôùi baêng thoâng, do ñoù ñeå giaûm coâng suaát nhieãu caùc maùy thu caàn thieát keá sao cho coù baêng thoâng laø nhoû nhaát.

Xeùt nguoàn nhieãu gaây ra bôûi ñieän trôû R coù gaén taûi phoái hôïp RL.

5

Khi ñoù ñieän aùp nhieãu en seõ chia ñoâi treân R vaø RL . Coâng suaát nhieãu treân ñieän trôû R seõ laø :

Ñieän aùp hieäu duïng nhieãu cuûa ñieän trôû R phaùt sinh nhieãu:

Ví duï: Tìm ñieän aùp nhieãu taïo ra bôûi ñieän trôû R=1M ôû nhieät ñoä phoøng 170 C treân baêng thoâng 1MHz

Giaûi:

Aùp duïng coâng thöùc :

Töø ví duï treân ta thaáy raèng moät von keá vôùi trôû khaùng ngoõ vaøo 1M coù baêng thoâng 1MHz seõ taïo ra moät ñieän aùp nhieãu 126V taïi ñaàu vaøo. Do vaäy moät tín hieäu khoaûng 500 V hoaëc nhoû hôn seõ ño khoâng chính xaùc baèng von keá coù baêng thoâng nhö treân nhöng trôû khaùng ngoõ vaøo chæ 50 vaø chæ gaây ra moät ñieän aùp nhieãu 0.9 V. Ñieàu naøy lyù giaûi taïi sao trôû khaùng thaáp laø ñieàu mong muoán ñoái vôùi caùc maïch nhieãu thaáp.

BTkR

EPN nnther ..

)2/( 2

RBTkRBTkE n ...4...4 2nE hay

VRBTkE n 12610.10)17273(10.38,1.4...4 6623

2nE

RfkTEn .4

Hình 4.1 Maïch töông ñöông

nguoàn nhieãu

R

RL

6

Ví duï:

Moät boä khuyeách ñaïi hoaït ñoäng 270C coù baêng thoâng 4MHz, ñieän trôû ngoõ vaøo 100. Ñoä lôïi ñieän aùp 200; tính hieäu ngoõ vaøo hieäu duïng 5 V. Xaùc ñònh tín hieäu vaø nhieãu ôû ngoõ ra, giaû söû boû qua nhieãu ngoaøi.

Giaûi:

Möùc nhieãu ngoõ vaøo:

Möùc nhieãu ngoõ ra Eno =200.2,57=0,514mV

Möùc tín hieäu ngoõ ra V0=200.5=1mV

Tyû soá ñieän aùp tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra

Ñaây laø moät tyû soá khoù ñöôïc chaáp nhaän cho moät boä khuyeách ñaïi trong moät heä thoáng thoâng tin.

Bình phöông ñieän aùp nhieãu gaây bôûi hai ñieän trôû maéc noái tieáp

VRBTkEn 57,2100.10.4).27273.(10.38,1.4....4 623

95,1514,0

10 noE

V

).BR4k.T(REEE 212n

2n

2n 21

7

Töông töï, ñieän aùp nhieãu bình phöông cuûa hai ñieän trôû maéc song songlaø:

Noùi chung nhieãu nhieät khoâng chòu aûnh höôûng bôûi doøng ñieän chaûy qua ñieän trôû (tröø ñieän trôû Carbon-thöôøng duøng trong thieát bò ñieän töû phoå thoâng nhö amply, ñieàu khieån ñieän töû, khoâng phuø hôïp vôùi phaàn cao taàn maùy thu). Doøng ñieän aûnh höôûng tôùi nhieãu ñöôïc taïo ra trong baùn daãn.

BRR

RRkTEn .

.4

21

212

R1

R2

BkTREn 121 4

BkTREn 222 4

R1+R2

22

2121

2 )(4 nnn EEBRRkTE

8

4.3 NHIEÃU BAÙN DAÃN (TRANSITOR NOISE)

Moät nguoàn nhieãu ngaãu nhieân quan troïng caàn xeùt trong thieát keá maïch laø nhieãu cuûa caùc phaàn töû tích cöïc baùn daãn: diod, BJT, FET, IC,… goàm nhieàu taàn soá thaáp (excess noise), nhieãu taàn soá cao (Transit-time noise) vaø ñaëc bieät laø nhieãu shot.

b/Transit-time noise: xuaát hieän ôû vuøng taàn soá cao quanh taàn soá ngöôõng cuûa thieát bò baùn daãn,khi thôøi gian di chuyeån cuûa cuûa ñieän tích qua moái noái coù theå saùnh ñöôïc vôùi chu kyø cuûa tín hieäu, seõ coù moät ít ñieän tích khuyeách taùn ngöôïc trôû laïi nguoàn hoaëc Emitter. c/ Shot noise: gaây ra bôûi baûn chaát dòch chuyeån

cuûa doøng ñieän trong chaát baùn daãn. Caùc haït mang ñieän trong chaát baùn daãn khoâng di chuyeån thaønh doøng moät caùch lieân tuïc oån ñònh, ngay caû doøng DC bôûi vì khoaûng caùch maø chuùng di chuyeån phuï thuoäc moät caùch ngaãu nhieân vaøo ñöôøng chuyeån ñoäng. Khi coù doøng ñieän chaûy qua tieáp giaùp p.n phaân cöïc thuaän thì phaùt sinh doøng ñieän nhieãu shot:

a/ Excess noise: phaùt sinh bôûi khuyeát taät beà maët tinh theå baùn daãn. Ñoái vôùi BJT, FET xaûy ra ôû taàn soá döôùi 1KHz, haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu tyû leä nghòch vôùi taàn soá, tyû leä thuaän vôùi nhieät ñoä vaø doøng DC. Noù coøn goïi laø nhieãu Flicker hay nhieãu 1/f.

9

q-ñieän tích ñieän töû 1,6.10-19C.IDC -doøng DC.B- baêng thoâng .

Moâ hình nhieãu shot khi thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän tích qua tieáp giaùp nhoû hôn chu kyø tín hieäu.

rd -ñieän trôû roäng tieáp giaùp phaân cöïc thuaän diod.DC

d Iq

kTr

.

BqIBqII DCDCn .2.2 2nI hay

inDC

d Iq

kTr

.

IDC

Hình 4.2 Moâ hình nhieãu shot

10

Gioáng nhö nhieãu nhieät, nhieãu shot hoaøn toaøn ngaãu nhieân vaø coù maät ñoä phoå coâng suaát baèng phaúng traûi theo taàn soá. Ví duï: Xaùc ñònh doøng nhieãu vaø ñieän aùp nhieãu töông ñöông cuûa diod coù moâ hình treân. Cho IDC =1ma; B=10Mhz; t0 =170 C. Giaûi:

Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp

.6,56.2 nABqII DCn

VrI

maI

mV

qI

kTrr

dn

DCDCdJ

47,126.10.6,56.

(

2626

9

n

0

E

C)17 phoøngñoänhieät taïi

4.4 MAÄT ÑOÄ PHOÅ COÂNG SUAÁT NHIEÃU VAØ TÍNH TOAÙN

Ñeå tính toaùn nhieãu cuûa maïch, caàn xaùc ñònh nhieãu cuûa caùc thaønh phaàn maïch. Coâng suaát nhieãu cuûa caùc nguoàn nhieãu coäng laïi thaønh toång coâng suaát nhieãu cuûa maïch.

11

Giaû söû Pn laø toång coâng suaát nhieãu coù ñöôïc trong baêng thoâng B. Ta coù: - coâng suaát nhieãu ôû baêng thoâng 1Hz coøn goïi laø maät ñoä phoå nhieãu. Khi xem xeùt nhieãu trong maïch coù phaàn töû baùn daãn, ñieän trôû ta seõ tính ñieän aùp nhieãu, doøng nhieãu, maät ñoä phoå nhieãu, coâng suaát nhieãu. Sau ñoù tính nhieãu vôùi baêng thoâng xem xeùt. Ví duï: Cho maïch sau ôû to =27oC.

Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:

Töông töï coù maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:

R-ñieän trôû gaây ra nhieãu nhieät.Maät ñoä phoå doøng nhieãu shot cuûa diot:

Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu shot do coù doøng ñieän chaûy qua rd:

DCn qIB

I2

2

2

2

2

22 )/(/

R

BEB

R

E

B

I nn

ther

n

)/(..4 22

HzVRTkB

En

kTB

P

B

NN n 0

Hình 4.3

BPF

Lyù töôûngV

R20k

Sif=100KHZ

rmsvolmeter

(W/Hz)

12

shot

nd

dn

shot

n

B

Ir

B

rI

B

E

22

222

rj =rd -ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp diod.

Toång ñieän aùp nhieãu treân diod goàm:

Trong ñoù

dd rTher

nd

shot

n

rTher

n

shot

n

Total

n

B

Ir

B

E

B

E

B

E

B

E

,

22

2

,

222

Total

nd

nnd

Shot

nd

Ther

nd

Total

n

n

Ther

n

B

Irshot

B

Ither

B

Ir

B

Ir

B

Ir

B

E

RB

E

B

I

22

222

22

22

2

222

/

Giaû söû boä loïc thoâng giaûi BPF lyù töôûng coù baêng thoâng f, khi ñoù ñieän aùp nhieãu toång coäng trong baêng thoâng xem xeùt:

BshotB

Ether

B

EE nnn .

22

13

Ví duï: Xaùc ñònh ñieän aùp nhieãu ôû hình 4.3.

Giaûi:

Ñieän trôû R gaây ra maät ñoä phoå (ñieän aùp ) nhieãu nhieät:

Nhieãu nhieät taïo bôûi diod raát nhoû so vôùi nhieãu nhieät gaây ra bôûi ñieän trôû R = 20K.

Hz

VRTk

B

En2

163232

10.32,310.20)27273(10.18,3.4..4

V

Hình 4.4 Moâ hình nhieãu töông ñöông maïch hình 4.3

BPF

20KΩ

rdIn

En

14

Doøng moät chieàu qua diod

HzAqI

mak

vI

DC

DC

/10.488,110.465,0.10.6,1.2.2

.465,020

7.010

222319

BI

:shot nhieãu ñieän doøng phoåñoäMaät 2n

ther

nd

ther

n

B

Ir

B

E

22

2

Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp p -n:

Maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät gaây ra bôûi ñieän trôû R=20K.

Ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa diod

(do doøng nhieãu nhieät gaây ra bôûi R)

Trong ñoù:

mAI

mVr

DCd

26

HzAR

BE

B

I n

ther

n /10.3,8)10.20(

10.32,3)/( 22323

16

2

22

15

HzVB

E

B

E

B

E

HzVB

Ir

B

E

HzVB

E

ma

mVr

shot

n

ther

n

total

n

shot

nd

shot

n

ther

n

d

/10.650,410.026,0

/10.65,4)10.488,1()9,55(

/10.6,2)10.3,8()9,55(

.9,55465,0

26

21919222

2192222

22

2212522

diod. treân nhieãu aùp ñieän ñoämaät Toång

shot. nhieãu aùp ñieän neân taïo diod cuûashot nhieãu Doøng

ÔÛ ñaây nhieãu shot maïnh hôn nhieàu nhieãu nhieät. Qua boä loïc BPF. Toång ñieän aùp nhieãu ngoõ ra:

.216,010.16,210.10.676,4. 751922

vrmsVrmsBB

E

B

EE

shot

n

ther

nn

16

1/Heä soá nhieãu (Noise Figure)

Tyû soá theå hieän thaønh phaàn nhieãu taïi baát kyø moät ñieåm naøo ñoù trong heä thoáng, nhöng khoâng laø moät thoâng soá ñeå chæ ra coù bao nhieâu nhieãu ñöôïc coäng theâm vaøo treân ñöôøng truyeàn tín hieäu, chaúng haïn töø ngoõ vaøo tôùi ngoõ ra boä khuyeách ñaïi. Nhieãu ñöôïc coäng theâm ôû ñaây laø nhieãu nhieät, nhieãu baùn daãn. Heä soá nhieãu (Noise Figure-NF) laø ñaïi löôïng ñaëc tröng cho vaán ñeà naøy vaø ñöôïc ñònh nghóa nhö sau:

(PSi /PNi ) tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu taïi ngoõ vaøo.

(PSo /PNo) tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu taïi ngoõ ra.

).(/

/

/

/lg10lg10)(

nhieãu soátyû Ratio Noise

NoSo

NiSi

NoSo

NiSi

dB

PP

PPNR

PP

PPNRNF

N

S

Boä khuyeách ñaïi lyù töôûng coù .;1 odBNFNRP

P

P

P

No

So

Ni

Si

Trong thöïc teá khoâng bao giôø coù nhö vaäy NF do nhaø cheá taïo cung caáp.

NF < 3dB laø toát NF<1,2dB -raát toát.

4.5 TÍNH TOAÙN NHIEÃU

17

Ví duï: Boä khuyeách ñaïi duøng BJT coù taïi ngoõ vaøo laø 10 vaø taïi ngoõ ra laø 5. Tính NR vaø NF.

Giaûi:

2. Aûnh höoûng cuûa trôû khaùng ñoái vôùi nhieãu

Theo lyù thuyeát trôû khaùng khoâng gaây ra nhieãu tôùi heä thoáng. Ñieàu naøy chæ ñuùng vôùi caùc tuï ñieän vaø cuoän caûm lyù töôûng, thöïc teá caùc phaàn töû khaùng naøy luoân coù thaønh phaàn ñieän trôû toån hao maø chính noù seõ gaây ra nhieãu. Nhöng nhieãu gaây ra bôûi caùc thaønh phaàn toån hao naøy coù aûnh höôûng khoâng ñaùng keå tôùi heä thoáng so vôùi nhieãu nhieät vaø nhieãu shot, do vaäy chuùng thöôøng ñöôïc boû qua.

.32lg10lg10

.25

10

/

/

dBNRNF

PP

PPNR

NoSo

NiSi

N

S

Aûnh höôûng cuûa caùc maïch coù tính khaùng RC, LC, RLC, RL laø baêng thoâng nhieãu. Giaû söû maïch coù baêng thoâng -3dB laø baêng thoâng B thì baêng thoâng töông ñöông ñöôïc duøng ñeå tính nhieãu ñöôïc tính: Bn .

2

B

Vaäy baêng thoâng nhieãu luoân lôùn hôn baêng thoâng heä thoáng, töùc laø nhieãu vaãn qua heä thoáng ôû döôùi taàn soá caét-3dB.

18

3.Nhieãu do nhieàu taàn khuyeách ñaïi gheùp lieân tieáp

Giaû söû bieát tyû soá nhieãu NRn vaø heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát Apn cuûa n taàng khuyeách ñaïi gheùp noái tieáp.Tyû soá nhieãu cuûa heä thoáng ñöôïc tính theo coâng thöùc Friss:

Ví duï: Cho 2 taàng khuyeách ñaïi vôùi thoâng soá sau:

12121

3

1

21 ...

1...

11

pnpp

n

ppp AAA

NR

AA

NR

A

NRNRNR

NF2 = 6dB

AP2 =10dB

NF1 =2dB

AP1 =12dBTính NR vaø NF heä thoáng.

.5,2779,1lg10

779,19,15

1459,1

1010;46

9,1512;59,12

2222

1111

dBNF

NR

AdBANRdBNF

AdBANRdBNF

pp

pp

Giaûi:

19

4.Nhieät ñoä nhieãu töông ñöông

Thoâng thöôøng NR naèm giöõa 1 vaø 10. Ñeå môû roäng thang ño, bieåu dieãn tyû soá nhieãu qua nhieät ñoä nhieãu töông ñöông Teq raát thuaän tieän tính toaùn coâng suaát nhieãu cho caùc thieát bò microwave,thoâng tin veä tinh v.v…

Teq=T(NR-1)

T-nhieät ñoä tuyeät ñoái = 2730 + t0 moâi tröôøng.

Nhö vaäy vôùi möùc nhieãu thaáp thì Teq bieán ñoåi lôùn hôn NF, deã so saùnh vaø deã hieåu hôn NF, neân thöôøng ñöôïc duøng .

Ví duï : NF =1dB => NR =100,1 =1,26 => ôû nhieät ñoä phoøng 17oC coù Teq=75oK. Töôïng töï vôùi NF =1,6dB => NR =100,16 =1,44 => Teq 1280K.

Nhieãu ñöôïc xem xeùt nhieàu ôû taàn soá Vi ba do taùc ñoäng maïnh ôû taàn soá cao nhieàu hôn, trong ñoù nhieãu noäi ñoùng vai troø quyeát ñònh giôùi haïn khaû naêng (ñoä nhaïy) cuûa caùc heä thoáng thoâng tin hieän ñaïi).

Möùc nhieãu trong heä thoáng tyû leä thuaän vôùi nhieät ñoä, baêng thoâng, doøng chaûy trong maïch, ñoä lôïi, ñieän trôû. Nhieãu thaáp khi maïch coù ñoä lôïi nhoû, doøng DC vaø ñieän trôû nhoû, nhieät ñoä thaáp.

Möùc tín hieäu (ñieän aùp hay coâng suaát) nhoû nhaát ngoõ vaøo maùy thu öùng vôùi tyû soá coâng suaát tín hieäu treân nhieãu cho tröôùc ngoõ ra goïi laø ñoä nhaïy.

20

4.6 BAÙN DAÃN KHUYEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP.

Boä khuyeách ñaïi cao taàn ( RF Amp - LNA ) naèm ôû ngoõ vaøo maùy thu coù nhieäm vuï: phoái hôïp trôû khaùng vôùi anten, tieàn choïn loïc tín hieäu cao taàn, loaïi nhieãu taàn soá aûnh (fImage=fc+2fIF), khuyeách ñaïi nhieãu thaáp tín hieäu nhoû ngoõ vaøo maùy thu tôùi möùc caàn thieát ñoåi taàn, taêng ñoä nhaïy maùy thu.

LNA thöôøng coù töø 1 ñeán 3 taàng khuyeách ñaïi tuyeán tính coù ñieàu höôûng choïn loïc taàn soá - baêng thoâng tín hieäu mong muoán vaø AGC (Automatic Gain Control). Moãi taàng cung caáp ñoä lôïi töø 1030 dB.

Töø coâng suaát Friss:

Caùc linh kieän tích cöïc nhieãu thaáp ñöôïc duøng laø BJT, JFET MOSFET, GaAsFET, MESFET, HEMT ( High electron mobility transistor).

....

11

21

3

1

21

ppp AA

NR

A

NRNRNR

Ta thaáy taàng ñaàu tieân quan troïng nhaát, caàn coù heä soá hieãu thaáp vaø heä soá khuyeách ñaïi coâng suaát cao, daãn ñeán coâng suaát tieâu taùn taêng, nhieãu taêng. Do ñoù phaûi thoûa hieäp trong thieát keá LNA sao cho taàng ñaàu coù NF1 cöïc tieåu vôùi Ap1 ñuû lôùn, taàng thöù 2 coù NF2 vöøa phaûi vaø Ap2 lôùn.

21

Trong RFamp duøng BJT, nguoàn nhieãu noäi laø shot noise cuûa tieáp giaùp Emitter - Bazô vaø Bazô - collector, nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû Bazô vaø ñieän trôû phaân cöïc.

Baùn daãn cao taàn nhieãu thaáp ( Low noise transistor ) ñöôïc cheá taïo baèng coâng ngheä ñaëc bieät nhieàu tieáp giaùp emitter, giaûm ñieän trôû cöïc Bazô, taêng ñoä lôïi . Tuy nhieân taàn soá taêng thì NF cuõng taêng 6dB/octave.

2

108

46

5 10 15

2468

1012

Ic

ma

NFdB

NFdB

0,1f f fc 10 f

Hình 4.5 Ñoà thò NF cuûa BJT theo taàn soá vaø doøng phaân cöïc .

22

Moãi BJT nhieãu thaáp coù trôû khaùng toái öu phuï thuoäc vaøo taàn soá cho bôûi nhaø saûn xuaát. JFET coù trôû khaùng vaøo vaø ra lôùn, NF raát thaáp, ñaùp tuyeán tuyeán tính taàn soá hoaït ñoäng cao,ñoä khuyeách ñaïi lôùn. Thöôøng duøng laøm LNA taàng ñaàu maùy thu cao caáp (thoâng tin veä tinh, viba). MOSFET hai cöïc cöûa coù NF cao hôn JFET moät ít do coù diod zener baûo veä tónh ñieän ngoõ vaøo. Caùc ñaëc ñieåm khaùc gioáng JFET nhöng troäi hôn ôû choã thuaän tieän thieát keá maïch khuyeách ñaïi coù AGC nhôø cöïc cöûa thöù hai. GaAS FET ñöôïc öùng duïng nhieàu ôû taàn soá viba(>1GHz), caùc ñieän tích chuyeån ñoäng trong GaAS nhanh hôn nhieàu so vôùi BJT cuøng kích thöôùc, ñaùp öùng taàn soá cao toát, nhieãu ñaëc tröng bôûi NF nhoû (>1dB), ñoä khuyeách ñaïi lôùn,tuyeán tính. Coâng ngheä cheá taïo GaASFET nhoû hôn BJT. GaASFET öùng duïng nhieàu trong coâng ngheä MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), ñoåi A/D toác ñoä cao v.v… Moät coâng ngheä höùa heïn khaùc cho LNA ôû taàn soá viba laø SiGeHBT (Silicon-Gemanium heterojunction bipolar transistor) hoaït ñoäng vôùi ñieän aùp thaáp, coâng suaát tieâu taùn nhoû, tích hôïp cao, giaù reû taàn soá laøm vieäc cao. MESFET (Metal-Semiconductor FET) laø JFET treân neàn N-GaAS vôùi cöïc cöûa daïng diod shottky ñaùp öùng nhanh, nhieãu thaáp, heä soá khuyeách ñaïi lôùn, taàn soá hoaït ñoäng cao.

23

Moät daïng khaùc cuûa JFET laø HEMT(High electron Mobility transistor) coù caáu truùc maøng moûng, nhieãu thaáp ôû taàn soá raát cao NF=1,8dB ôû 40GHz vaø 2,6dB ôû 62GHz,Ap =11. Hieän nay HEMT coù fT =362GHZ. Söï löïa choïn linh kieän nhieãu thaáp cho LNA tuyø thuoäc vaøo ñieàu kieän cuï theå, dung hoaø trong muïc ñích söû duïng. Ví duï: 1/Neáu choïn heä soá nhieãu cöïc tieåu thì khoâng theå ñaït ñoä lôïi coâng suaát lôùn nhaát. 2/Choïn ñoä lôïi coâng suaát lôùn nhaát thì heä soá nhieãu seõ khoâng cöïc tieåu. 3/Khuyeách ñaïi daûi roäng thì ñoä lôïi cöïc ñaïi khoâng trôû neân quan troïng.

Ln RIEn

.220 22

Xeùt moâ hình baùn daãn khuyeách ñaïi vôùi caùc nguoàn nhieãu.

- Maät ñoä doøng ñieän nhieãu shot do doøng phaân cöïc ngoõ ra.

- Maät ñoä doøng ñieän nhieãu shot do doøng phaân cöïc ngoõ vaøo.

Neáu trôû khaùng ra Z0 baùn daãn raát lôùn hôn RL, maät ñoä ñieän aùp nhieãu ngoõ ra do laø:

2

2nI

2

1nI

2nI

4.7 Nhieãu trong khuyeách ñaïi baùn daãn

24

Ñeå tieän vieäc xem xeùt, caàn qui caùc nguoàn nhieãu ngoõ vaøo. Ñoä khuyeách ñaïi ñieän aùp (vôùi RL << z0 baùn daãn):

Lmi

RgV

V.0

Vcc

RL

Ln kTRE 42

2

2nI

2

1nIVi

Hình 4.6

V0

25

Vi

RL

Vce

2

1nE

2nI

2

2nE

Hình 4.7

Nguoàn doøng nhieàu ngoõ ra thay theá bôûi nguoàn ñieän aùp nhieãu ngoõ vaøo:

Nguoàn nhieãu ñöôïc dieãn giaûi laø nguoàn nhieãu nhieät cuûa ñieän daãn gm. Töông töï nhieãu nhieät cuûa taûi RL coù theå bieåu dieãn nhö nguoàn nhieãu maéc noái tieáp ngoõ vaøo.

Maïch khuyeách ñaïi khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu qui veà ngoõ vaøo nhö sau:

2

2

22

222 22

2

m

n

Lm

Lnn g

I

Rg

RIE

2

2nE

222 41

Lm

Ln

Rg

kTRE

21n

E

26

Nhieãu BJT : Veà nguyeân lyù, BJT coù hai nguoàn nhieãu shot vaø moät nguoàn nhieãu nhieät taïo ra bôûi ñieän trôû Bazô rb’ .

Ôû taàn soá f > f , doøng nhieãu taêng theo taàn soá:

Nhieãu FET:

Nguoàn nhieãu cuûa FET cho bôûi:

/HzA

/HzA

/HzV

2

2

2

Cn

Bn

bn

qII

qII

kTrE

2

2

4

2

2

'2

2

1

)1(2

222

)(

Tnn f

fII

f

/HzA

/HzV

2

2

gn

mn

qII

g

kTE

2

8,2

2

2

gm -ñieän daãn töông hoå; Ig -doøng ræ cöïc cöûa.

27

Nguoàn nhieãu cuûa MOSFET vaø JFET töông töï nhöng boû qua Ig ôû MOSFET. Doøng nhieãu cuõng taêng theo taàn soá ôû khoaûng taàn soá raát cao. Moâ hình nhieãu baùn daãn duøng ñeå thieát keá LNA.

Tyû soá nhieãu cuûa maïch phuï thuoäc ñieän trôû nguoàn tín hieäu. Giaù trò RS toái öu ñeå coù NR cöïc tieåu xaùc ñònh töø coâng thöùc:

Neáu In lôùn ,En nhoû thì Rs caàn nhoû. Neáu In nhoû (FET) caàn Rs lôùn ñeå coù ñöôïc NR nhoû nhaát.

Ví duï: Cho A 741 coù caùc thoâng soá ôû ví duï treân.Tìm NFmin .

Giaûi:

n

ns

n

nn

s

I

ER

R

EI

kTdR

dNR

Vaäy

04

12

22

dBNRNF

NR

KRs

4,6lg10

35,410.30.290.10.37,1.4

10.9.10.910.81

3010.9

10.8

minmin

323

82516

min

25

16

öutoái

28

4.8 Tính toaùn LNA.

1.Moâ taû maïch nhieãu thaáp

Maïch khuyeách ñaïi tuyeán tính coù nhieãu ñöôïc bieåu dieãn bôûi maïch khuyeách ñaïi khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu En,In qui veà ngoõ vaøo.

Tröôøng hôïp duøng BJT: nguoàn nhieãu shot In do doøng phaân cöïc ngoõ vaøo, nguoàn ñieän aùp nhieãu En gaây doøng phaân cöïc ngoõ ra vaø nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû taûi. En chính laø ñieän aùp nhieãu hieäu duïng xuaát hieän ôû ngoõ vaøo ngaén maïch cuûa boä khuyeách ñaïi khoâng nhieãu.2.NR cuûa maïch Tyû soá nhieãu (noise ratio) cuûa maïch trong baêng thoâng 1 Hz.

Hình 4.8

RS

ES

E2n

I2n

4kTRS

+-

+

-

V0

29

s

snn

kTR

RIENR

4

.1

222

Ví duï: A 741 coù maät ñoä ñieän aùp nhieãu162 10.8 nE V2 / Hz taïi 1KHz.

Maät ñoä doøng nhieãu HzAIn /10.9 2252 Neáu trôû khaùng nguoàn Rs=10K, ta coù tyû soá nhieãu cuûa boä khuyeách ñaïi A 741 ôû nhieät ñoä 170C laø:

dBNFNR 2,86,610.290.10.37,1.4

10.9,010.81

423

1616

3. Thieát keá nhieãu thaáp:

Tieâu chuaån toát nhaát ñeå thieát keá nhieãu thaáp laø tyû soá coâng suaát tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra cuûa maïch. Vieäc choïn ñieän trôû nguoàn toái öu ñeå coù heä soá nhieãu cöïc tieåu neân thaän troïng.

outN

S

Ñeå coù Max khoâng nhaát thieát phaûi coù NF nhoû nhaát. Thay ñoåi ñieän trôû nguoàn

tín hieäu, inN

S

tyû soá cuõng thay ñoåi ôû ngoõ vaøo.

30

Xeùt maïch töông ñöông nguoàn nhieãu ngoõ vaøo khuyeách ñaïi: Es vaø Rs laø nguoàn ñieän aùp vaø ñieän trôû nguoàn tín hieäu vaøo. Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ vaøo trong baêng thoâng 1 HZ:

ssnn

s

kTRRIE

E

N

S

4. 222

2

Es

Rs

sn kTRE 42

22snRI

2nE

Hình 4.9

31

Roõ raøng, neáu Rs nhoû thì N

Sseõ lôùn, tuy nhieân khoâng ñaït ñöôïc NF cöïc tieåu töùc laø

khoâng coù ñöôïcN

Slôùn nhaát vôùi NF nhoû nhaát.

Moät tröôøng hôïp quan troïng thöôøng gaëp laø gheùp bieán aùp giöõa nguoàn tín hieäu vôùi ngoõ vaøo khuyeách ñaïi:

R’s= n2.Rs

n - tyû soá voøng bieán aùp; R’s - trôû khaùng phaûn aûnh cuûa nguoàn Rs.Ñieän aùp tín hieäu: E’n= n.Es

Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra bieán aùp:ssnn

s

out RkTRnRIE

En

N

S

.4.

.2222

22

outN

S

Toác ñoä thay ñoåi cuûalaø haøm cuûa n cho bôûi:

ssnn

ssnssnnsout

RkTnRnIE

RkTnRInRkTnRnIEEn

dn

NSd

.4.

)424..(.2)/(22422

222422422

Baèng khoâng vôùi:

n

ns

n

ns In

ERhay

I

ERn

.22

32

Töùc laø Es khoâng phaûi laø haøm cuûa Rs. Ñaây cuõng laø giaù trò ñieän trôû nguoàn ñaït ñöôïc NF cöïc tieåu.Nhö vaäy gheùp bieán aùp ñöôïc duøng phoái hôïp trôû khaùng toái öu giöõa nguoàn vaø ngoõ vaøo boä

khuyeách ñaïi. Tyû soá voøng daây n hôïp lyù cho pheùp ñaït NF cöïc tieåu vaø

outN

S

cöïc ñaïi

4. Khuyeách ñaïi nhieãu thaáp LNA.

Vi

Rs

C1C2

Rb

N1=n1

N2=n2

S D

GRL

VDD

+-

Hình 4.10

33

Töø caùc phaân tích tröôùc, xeùt LNA duøng trôû khaùng vaøo nhoû,caàn phoái hôïp vôùi ñieän trôû nguoàn Rs .Rb taïo phaân cöïc ôû vuøng tuyeán tính. C1 vaø C2 coi nhö ngaén maïch ôû taàn soá hoaït ñoäng. Maïch vaøo töông ñöông cuûa taàng khuyeách ñaïi coù daïng:

N1=n1

N2=n2

RsZ’s

G

S

Hình 4.112

1

21'

n

nnRz ss Trôû khaùng vaøo töông ñöông cuûa FET:

Ñeå tyû soá nhieãu cöïc tieåu vaø tyû soá tín hieäu treân nhieãu cöïc ñaïi thì tyû soá voøng daây caàn coù sao cho.

En vaø In ñieän aùp vaø doøng ñieän nhieãu cuûa baùn daãn.

nn

ns R

I

E

n

nnR

2

1

21

34

Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû cuûa khuyeách ñaïi duøng FET ôû vuøng taàn soá giöõa, boû qua ñieän trôû rd.

Rs N1=n1

N2=n2

VG

Hình 4.12

+-Vi

VS

gmVSG

RLZi

Trôû khaùng vaøo cuûa taàng khuyeách ñaïi.

1

1

2

1

2

1

1

n

ng

Vnn

g

V

Vg

VZ m

sm

s

SGm

si

35

Töông töï ôû sô ñoà cöïc coång chung:

12

1

21

2

1

21'

n

nngZ

n

nnRZ miss vaø

Vs

Vi

Rs

C1 C2

Rb RL

VDD

+- Vi

Rs

Zin1

n2

RL

Z’S

Hình 4.13

36

5.Toái öu doøng tieâu cöïc BJT nhieãu thaáp.

222

2

''' 12

444 sn

Ln

ebbbsi RI

R

kTI

rrkTrkTRN

)/(242

244

22

2'

2

2'

'HzV

rqIrqV

I

qV

RqI

kTrkTRN

bcbT

c

T

sc

bsi

Toång maät ñoä nhieãu ngoõ vaøo taàng khuyeách ñaïi maéc Emitter chung:

Trong ñoù rb’e , In1 , In2 laø haøm cuûa doøng phaân cöïc ra Ic do ñoù coù theå hieäu chænh doøng phaân cöïc sao choheä soá nhieãu nhoû nhaát vaø lôùn nhaát. Giaû söû nhieãu do ñieän trôû taûi RL gaây ra nhoû hôn so vôùi caùc thaønh phaàn khaùc, ta coù:

Vieát laïi nhieãu ngoõ vaøo:

maI

mV

I

V

g

r

qIII

qqII

cc

T

m

b

cnc

Bn

261

2;22

'

22221

vaø

N

S

37

Bieán thieân cuûa nhieãu theo doøng phaân cöïc:

Suy ra doøng phaân cöïc toái öu ñeå coù nhieãu cöïc tieåu:

21

22' sb

Tc

Rr

VI

; Rs ñieän trôû nguoàn tín hieäu

2

2

2

2'

2 222

c

Tbs

c

i

I

qVqrqR

dI

dN

Caùc daïng maïch LNA:68K359

A

ZA 7550p 20 39 39 470 .001

39

.1 .1

+6vVcc47

11

Hình 4.14 LNA duøng FET fc=94MHz cuûa maùy thu FM.

38

51

3,3n

3,3

18

BFY 90

47n

15

100

3,3n

22k

270

20v/5maVo

Av=8dBB=(470800)MHZ

.

.01

51

16nH 93nH

.01300

.01

15024k

550

BFR91

13,5vVcc

Av=10dB; NF=1,5dBB=(10600)MHz

Hình 4.15 K.Ñaïi LNA (Booster) cho TV.

Hình 4.16 2 taàng LNA ngoõ vaøo maùy thu veä tinh

7812

TO LNB

2x BFR91

TO Mix

Vcc

+15v

TO LNB

Vcc

+15v 7812

C 2570C 2570

TO Mix

39

56k

BF 964

AGC + VDD

Hình 4.17 RF amp duøng MOSFET coù AGC.

A

+12v

Hình 4.18 Phaàn cao taàn maùy thu duøng MOSFET hai cöïc cöûa

2/11

1n

47k

2/11

181n

2/11

1n

1,5

390

47k

6,8k

100k

2,2k

1001n

1n

OSCMix

10/30

10/30 100

47k56k 1n

5n

RF amp 3 x BF981

IF amp

10.7

1n

Vcc

144MHz

56

40

A

BFR 91

TO AGC

M

To Mix

+ 9v

Vcc

Hình 4.20 2 taàng LNA cuûa heä thoáng chuyeån tieáp truyeàn hình keânh 7 TP.HCM

RF amp 2SK 212 Mix C 2839

A

+ Vcc

10.7

osc

Hình 4.19 RF amp vaø mix duøng FET, BJT ñieän thoaïi Cordless Telephone

41

Power Down

dPV

20p LPackage

LB

2nH

100

LC CCLPackage 8p

Vcc

Hình 4.22 Vi maïch LNA ñieän thoaïi di ñoäng 1,9 PHS MMIC GaAs – 1,9 GHz

Hình 4.21 Maïch LNA duøng MOSFET coù ñieàu höôûng ñieän töû.

To Mix

NTE 22240673

VT

+VDD

A

42

Hình 4.23 Vi maïch 2 taàng LNA NE/.SA 5200; f = 0 1200 MHz.

Power

down

6

7

Rf

RC

8

RE

Rf

RC

2

4

RE

3

dPV Vcc5 1

Zi C1

- VG

RFC

L1

C2C3

L4

C4RFC

VDD

L2 L3

Hình 4.24 Khuyeách ñaïi LNA 11 12 GHz ngoõ vaøo LNB – TVRO duøng FET HP 2101 - 2102