Mạch tích hợp siêu cao tần bài tập 2

Thông tin tài liệu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG BÀI TẬP VỀ NHÀ MÔN HỌC MẠCH TÍCH HỢP SIÊU CAO TẦN BÀI TẬP Giáo viên hướng dẫn: TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG Học viên: NGUYỄN HỒ BÁ HẢI Mã số: 13460526 TP HỒ CHÍ MINH, 04/2014 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Problem 1: a Prove that the noise figure of a passive-lossy circuit with the loss of L is L (NF= L) Hint: See part 10.2, David Pozar, “Microwave Engineering”, 4th Edition b Compute the overall noise figure of fully matched receiver below Verify the result using APPCAD Solution: a Ta xét Noise Figure mạng có nhiễu đặc trưng độ lợi G, băng thông B, nhiệt độ nhiễu tương đương Te sau: Hình 1.1: xác định Noise Figure mạng có nhiễu Noise Figure NF định nghĩa sau: NF  Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Si / N i 1 So / N o (1.1) Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Trong công suất nhiễu ngõ vào Ni = kT0B, T0 = 290 K, công suất nhiễu ngõ tổng nhiễu ngõ vào khuếch đại nhiễu phát từ bên N0 = kGB(T0 + Te) Công suất tín hiệu ngõ S0 = GSi Thay kết vào công thức (1.1) ta Noise Figure sau: NF  Si kGB (T0  Te ) T  1 e  kT0 B GSi T0 (1.2) Te  ( F  1)T0 (1.3) Rút Te từ (1.2) ta được: Trong thực tế, mạng hai cửa bao gồm linh kiện thụ động, tổn hao mạng phối hợp với điện trở nguồn nhiệt độ T bên Hình 1.2: xác định Noise Figure đường truyền tổn hao với suy hao L nhiệt độ T Hệ số suy hao L định nghĩa L = 1/G > 1, công suất nhiễu ngõ là: N  kTB  GkTB  GN added (1.4) Trong đó, Nadd nhiễu phát đường truyền, rút Nadd từ (1.4) ta được: N add  1 G kTB  ( L  1)kTB G (1.5) Từ công thức nhiệt độ nhiễu tương đương điện trở R phân phối công suất nhiễu Nadd đến tải R là: Te  N add  G  T  ( L  1)T kB G (1.6) Từ (1.2) (1.6) ta có: F   ( L  1) Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải T T0 (1.7) Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Từ công thức (1.7) ta thấy, mạng thụ động tổn hao nhiệt độ T0 F = L điều cần chứng minh b Tính Noise Figure toàn hệ thống NF4=12dB=15.849 G4=0dB=1 NF3=1dB=1.259 G3=-1dB=0.794 NF1=0.1dB=1.023 G1=-0.1dB=0.977 NF5=1dB=1.259 G5=-1dB=0.794 NF2=3dB=1.995 G2=15dB=31.623 NF6=6dB=3.981 G6=30dB=1000 Hình 1.3: xác định Noise Figure toàn hệ thống Noise Figure toàn hệ thống tính theo công thức sau: NFtot  NF1  NF5  NF6  NF2  NF3  NF4      G1 G1G2 G1G2G3 G1G2G3G4 G1G2G3G4G5 1.995  1.259  15.849  1.259     0.977 0.977  31.623 0.977  31.623  0.794 0.977  31.623  0.794 1 3.981   0.977  31.623  0.794 1 0.794  1.023   2.819  4.5 dB Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Kiểm chứng kết sử dụng phần mềm APPCAD ta kết sau: Hình 1.4: xác định Noise Figure toàn hệ thống sử dụng phần mềm APPCAD Ta thấy kết tính toán kết thực phần mềm APPCAD hoàn toàn trùng khớp Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Problem 2: Prove that the Spurious Free Dynamic Range (SFDR) of a RF/Microwave system is calculated as SFDR   IIP3  F   SNRout ,min Where the input noise floor F is calculated: F  174 dBm / Hz  10 log B  NF Solution: Xét Noise Figure tầng khuếch đại có độ lợi G nhiễu thêm vào ngõ Na Si Ni So = G.Si No = G.Ni + Na So (S/N)o G Na G G.Ni +Na NF G.Ni Si Ni +Na/G (S/N)i G NF Ni Hình 2.1: xác định Noise Figure hệ thống NF   S / N i  S / N o  Si G.N i  N a G.N i  N a N    o Ni G.Si G.N i G N i (2.1)  N o  G.N i NF Tính theo dB ta có N o  G  N i + NF = G + NF + 10 log(kTB )  G + NF + 10 log( B )  10 log(1.38 1023  290)  G + NF + 10 log( B )  174 dBm / Hz Vậy nhiễu ngõ vào (input noise floor) F F  N o  G  NF + 10 log( B)  174 dBm / Hz Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải (2.2) Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường SFDR (Spurious Free Dynamic Range) định nghĩa công suất tín hiệu ngõ cực đại công suất thành phần hài bậc ba với mức nhiễu mạch Hình 2.2: Spurious Free Dynamic Range (SFDR) Ta thực mô hình toán cho đồ thị hình 2.2 sau A OIP3 D E SFDR C B No O IIP3 Hình 2.3: mô hình toán mạch phi tuyến Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Xét tam giác ABC ta có: BC  AB AB  DE  BC  3 Tương tự, xét tam giác ADE ta có: DE  AE  AE  AB Mặt khác, DC  BE  AB  AE  AB  AB 2  AB   OA  OB  3 2  OIP3  N o    IIP3  G    F  G  3   IIP3  F   SFDR  DC   IIP3  F   Trong trường hợp thu yêu cầu mức tín hiệu thu tối thiểu, SNR tối thiểu Điều yêu cầu việc tăng mức tín hiệu ngõ vào, dẫn đến việc giảm SFDR cách tương ứng, mức công suất thành phần hài bậc ba công suất nhiễu A OIP3 D E F SFDR Po,min SNR out,min C B No O Pin,min IIP3 Hình 2.4: mô hình với yêu cầu mức công suất thu tối thiểu Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Theo hình 2.4 ta có: SFDR  DC  DF    IIP3  F    Po,  N o   IIP3  F   SNRout , Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Problem 3: Using Friis equation, find the total NF of a system having the BPF (with the insertion loss of L) as the first block What is your conclusion from the result? NF1 = L G1=1/L NF2 , G2 NF3 , G3 NF4 , G4 Hình 3.1: xác định Noise Figure hệ thống Solution: Noise Figure toàn hệ thống tính sau: NFtot  NF1  NF2  NF3  NF4    G1 G1G2 G1G2G3  NF3  NF4    NF1  L  NF2     G2 G2G3   (3.1)  NF3  NF4    L  NF2    G2 G2G3   Từ (3.1) ta thấy Noise Figure toàn hệ thống phụ thuộc vào suy hao chèn L (insertion loss) khối BPF Như vậy, để giảm Noise Figure toàn hệ thống với sơ đồ khối trên, ta phải thiết kế khối BPF có suy hao chèn L nhỏ tốt Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 10 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Problem 4: Một máy thu siêu cao tần hoạt động dãy tần số 2.4 GHz, hình 1, thiết kế có hệ số nhiễu 3.2 dB Các thông số khác cho bảng bên Máy thu có độ nhạy -100 dBm Băng thông tín hiệu 400 KHz Xác định: a Tỉ số công suất tín hiệu nhiễu nhỏ ngõ b Hệ số nhiễu mạch khuếch đại nhiễu thấp c Tổng công suất nhiễu ngõ tạo mạch điện máy thu d IIP3, SFDR Pout, 1dB máy thu e Nếu hai tín hiệu RF có tần số 2.39 2.41 GHz, có công suất -60 dBm vào máy thu, tính công suất thành phần tín hiệu ngõ máy thu Hình 4.1: sơ đồ khối máy thu Solution: NFtot = 3.2 dB = 2.089 Psen = -100 dBm = 10-10 mW B = 400 KHz f = 2.4 GHz a Tỉ số công suất tín hiệu nhiễu nhỏ ngõ Theo định nghĩa, ta có hệ số nhiễu hệ thống tính theo công thức: NFtot  SNRin SNRout (4.1) Rút SNRout từ (4.1) ta được: SNRout  SNRin NFtot  SNRout ,min  SNRin ,min NFtot (4.2) Tỉ số công suất tín hiệu nhiễu nhỏ ngõ vào SNRin,min tính sau: Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 11 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường SNRin ,min  Pin ,min N in  Pin ,min kT0 B (4.3) Vậy tỉ số công suất tín hiệu nhiễu nhỏ ngõ là: SNRout ,min  Pin ,min N in NFtot  Pin ,min k T0 B.NFtot 1010.103   29,9  14,575 dB 1,38.1023.290.400.103.2, 089 b Hệ số nhiễu mạch khuếch đại nhiễu thấp NFBPF=L=2dB=1.585 GBPF=1/L=0.631 IIP3BPF = ∞ NFLNA? GLNA=15dB=31.623 IIP3LNA = -10dBm=0.1mW NFmix=6dB=3.981 Gmix=8dB=6.31 IIP3MIX = 0dBm=1mW Hình 4.2: độ lợi hệ số nhiễu khối Ta có, hệ số nhiễu máy thu tính theo công thức: NFtot  NFBPF  NFLNA  NFMIX   GBPF GBPF GLNA NFLNA  3.981   0.631 0.631 31.623  1.224  0.877 dB  2.089  1.585   NFLNA c Tổng công suất nhiễu ngõ tạo mạch điện máy thu Công suất nhiễu ngõ bao gồm: N  GN i  GN added (4.4) Trong đó, G độ lợi máy thu G  GBPF  GLNA  GMIX  2 dB  15 dB  dB  21 dB  125.89 Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 12 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Nadded công suất nhiễu tạo mạch điện máy thu N added  kBTe (4.5) Trong đó, Te nhiệt độ nhiễu tương đương máy thu, cho bởi: Te  ( NFtot  1)T0  N added  kBT0 ( NFtot  1)  1.38  1023  400 103  290  (2.089  1)  1.7436 1015 W Vậy tổng công suất nhiễu ngõ tao mạch điện máy thu là: N 0, added  GN added  125.89  1.7436 10 15  2.195 1013 W  2.195 1010 mW  96.6 dBm d IIP3, SFDR Pout, 1dB máy thu  IIP3 máy thu tính theo công thức: G G G 1   BPF  BPF LNA IIP3 IIP3BPF IIP3LNA IIP3MIX 0.631 0.631 31.623   3  0.1 10 110 3  20  103   IIP3  105 W  13 dBm  SFDR máy thu tính theo công thức: SFDR  2( IIP3  F )  SNRout ,min (4.6) Trong đó, F  174  NF  10 log B = -174 + 3.2 + 10 log (400.103 )  114, 78 dB Vậy 2(13 dBm  114.78 dB)  14.575 dB  53.28 dBm SFDR  Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 13 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần  Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Pout,1dB máy thu tính theo công thức: Pout ,1dB  Pin ,1dB  G  1dB (4.7) Trong đó, Pin ,1dB  IIP3  9.6 dB  13 dBm  9.6 dB  22.6 dBm  Pout ,1dB  Pin ,1dB  G  dB  22.6 dBm  21 dB  dB  2.6 dBm e Nếu hai tín hiệu RF có tần số 2.39 2.41 GHz, có công suất -60 dBm vào máy thu ngõ máy thu bao gồm thành phần sau Hình 4.3: thành phần ngõ máy thu Công suất thành phần 1 , 2 là: P1  P2  Pin  G  60 dBm  21 dB  39 dBm Công suất thành phần 21  2 , 22  1 là: P21 2  P22 1   P1   OIP3   P1   ( IIP3  G )  39    ( 13  21)  101 dBm Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 14 [...]... dB  22 .6 dBm  Pout ,1dB  Pin ,1dB  G  1 dB  22 .6 dBm  21 dB  1 dB  2. 6 dBm e Nếu hai tín hiệu RF có tần số 2. 39 và 2. 41 GHz, có công suất -60 dBm đi vào máy thu thì ngõ ra của máy thu sẽ bao gồm các thành phần sau Hình 4.3: các thành phần ở ngõ ra của máy thu Công suất của thành phần 1 , 2 là: P1  P 2  Pin  G  60 dBm  21 dB  39 dBm Công suất của thành phần 2 1  2 , 2 2  1... 3.981  1  0.631 0.631 31. 623  1 .22 4  0.877 dB  2. 089  1.585   NFLNA c Tổng công suất nhiễu tại ngõ ra được tạo ra bởi các mạch điện trong máy thu Công suất nhiễu tại ngõ ra bao gồm: N 0  GN i  GN added (4.4) Trong đó, G là độ lợi của máy thu G  GBPF  GLNA  GMIX  2 dB  15 dB  8 dB  21 dB  125 .89 Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 12 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn:.. .Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường Problem 4: Một máy thu siêu cao tần hoạt động ở dãy tần số 2. 4 GHz, như hình 1, được thiết kế có hệ số nhiễu là 3 .2 dB Các thông số khác được cho như bảng bên dưới Máy thu có độ nhạy -100 dBm Băng thông tín hiệu là 400 KHz Xác định: a Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu nhỏ nhất ở ngõ ra b Hệ số nhiễu của mạch khuếch... 1 0.631 0.631 31. 623   3  0.1 10 110 3  20  103   IIP3  5 105 W  13 dBm  SFDR của máy thu được tính theo công thức: SFDR  2( IIP3  F )  SNRout ,min 3 (4.6) Trong đó, F  174  NF  10 log B = -174 + 3 .2 + 10 log (400.103 )  114, 78 dB Vậy 2( 13 dBm  114.78 dB)  14.575 dB 3  53 .28 dBm SFDR  Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 13 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần  Giáo viên hướng... NFtot (4 .2) Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu nhỏ nhất tại ngõ vào SNRin,min được tính như sau: Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 11 Mạch Tích Hợp Siêu Cao Tần Giáo viên hướng dẫn: TS Huỳnh Phú Minh Cường SNRin ,min  Pin ,min N in  Pin ,min kT0 B (4.3) Vậy tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu nhỏ nhất ở ngõ ra là: SNRout ,min  Pin ,min N in NFtot  Pin ,min k T0 B.NFtot 1010.103   29 ,9 ... ra bởi các mạch điện trong máy thu N added  kBTe (4.5) Trong đó, Te là nhiệt độ nhiễu tương đương của máy thu, được cho bởi: Te  ( NFtot  1)T0  N added  kBT0 ( NFtot  1)  1.38  10 23  400 103  29 0  (2. 089  1)  1.7436 1015 W Vậy tổng công suất nhiễu tại ngõ ra được tao ra bởi các mạch điện trong máy thu là: N 0, added  GN added  125 .89  1.7436 10 15  2. 195 1013 W  2. 195 1010... ngõ ra của máy thu Công suất của thành phần 1 , 2 là: P1  P 2  Pin  G  60 dBm  21 dB  39 dBm Công suất của thành phần 2 1  2 , 2 2  1 là: P21  2  P2 2 1  3  P1  2  OIP3  3  P1  2  ( IIP3  G )  39  3  2  ( 13  21 )  101 dBm Học viên thực hiện: Nguyễn Hồ Bá Hải 14 ... SNRout ,min  Pin ,min N in NFtot  Pin ,min k T0 B.NFtot 1010.103   29 ,9  14,575 dB 1,38.10 23 .29 0.400.103 .2, 089 b Hệ số nhiễu của mạch khuếch đại nhiễu thấp NFBPF=L=2dB=1.585 GBPF=1/L=0.631 IIP3BPF = ∞ NFLNA? GLNA=15dB=31. 623 IIP3LNA = -10dBm=0.1mW NFmix=6dB=3.981 Gmix=8dB=6.31 IIP3MIX = 0dBm=1mW Hình 4 .2: độ lợi và hệ số nhiễu của từng khối Ta có, hệ số nhiễu của máy thu được tính theo công thức:... suất nhiễu tại ngõ ra được tạo ra bởi các mạch điện trong máy thu d IIP3, SFDR và Pout, 1dB của máy thu e Nếu hai tín hiệu RF có tần số 2. 39 và 2. 41 GHz, có công suất -60 dBm đi vào máy thu, tính công suất của các thành phần tín hiệu tại ngõ ra của máy thu Hình 4.1: sơ đồ khối của máy thu Solution: NFtot = 3 .2 dB = 2. 089 Psen = -100 dBm = 10-10 mW B = 400 KHz f = 2. 4 GHz a Tỉ số công suất tín hiệu trên

Ngày đăng: 16/08/2016, 23:53

Xem thêm: Mạch tích hợp siêu cao tần bài tập 2