Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Chương 4 NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiễu (Tạp âm) là tín hiệu không mong muốn, xuất hiện từ nhiều nguồn khác nhau (dưới dạng điện áp hay dòng điện) chèn vào tín hiệu hữu ích làm giảm chất lượng tín hiệu thu dẫn đến sai lệch thông tin. Nhiễu vấn đề rất quan trọng của điện tử thông tin và xử lý tín hiệu. Chất lượng thu của hệ thống điện tử thông tin đánh giá theo tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ngõ vào máy thu. )nhiễucủabìnhtrungsuấtcông(P )hiệutíncủabìnhtrungsuấtcông(P N S N S = hay N S P P lg10)dB( N S = N S chỉ sự tương quan độ mạnh của tín hiệu so với nhiễu. Nếu N S nhỏ hơn giá trò ấn đònh ngưỡng, tín hiệu thu không đạt chất lượng, thông tin bò sai lệch. Nhiễu có thể được chia thành hai loại: - Nhiễu ngoài: gây ra bởi môi trường truyền. - Nhiễu trong (nội) gây ra do thiết bò thu. 1. Nhiễu ngoài: a) Nhiễu nhân tạo: gây ra bởi các cơ chế tia lửa điện như: động cơ điện đèn huỳnh quang, đánh lửa động cơ xe, … chúng đến anten thu theo cách giống như tín hiệu vô tuyến. Nhiễu này xuất hiện ngẫu nhiên ở vùng tần số dưới 500MHz. b) Nhiễu khí quyển: một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo động bầu khí quyển trái đất, chủ yếu do sấm chớp. Phổ của nó được xem như là vô hạn, nhưng có mật tỷ lệ nghòch với tần số do đó thường chỉ gây ảnh hưởng trong vùng tần số nhỏ hơn 20MHz. c) Nhiễu vũ trụ: gây ra bởi bức xạ mặt trời, mặt trăng, sao, thiên hà … Chúng có phổ từ 8MHz đến l,5GHz. Thật ra chúng có chứa thành phần tần số thấp hơn 8MHz, tuy nhiên các thành phần đó bò hấp thụ bởi tầng điện ly của trái đất trước khi đến mặt đất. 2. Nhiễu trong Nhiễu trong hay còn gọi là nhiễu nội được tạo ra bởi chính máy thu. Như vậy ngoài sự hiện diện của nhiễu ngoài ở ngõ vào máy thu, còn có nhiễu nội quy về ngõ vào, gây ảnh hưởng mạnh nhất tại tầng khuếch đại đầu tiên của máy thu (Rx) vì tại nơi đây tín hiệu thu có mức nhỏ nhất trên nên nhiễu lớn nhất do đó N S nhỏ nhất. Các tầng khuếch đại sau tầng đổi tần cũng tạo nhiễu nhưng ít ảnh hưởng so với tầng đầu. Máy thu phải được thiết kế cẩn thận với đặc tính nhiễu thấp. Tầng khuếch đại cao tần nhiễu thấp ngõ vào R x còn gọi là khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amp). Nhiễu nội ngẫu nhiên trong máy thu phần lớn ở dạng nhiễu nhiệt, nhiễu shot, nhiễu l/f, transit - time noise. Mạch điện tử 3 37 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Nhiễu ngẫu nhiên nói chung, được mô tả bằng đặc tuyến thống kê. Tại mỗi thời điểm, biên độ nhiễu không thể dự đoán chính xác, nhưng có thể diễn đạt qua hàm mật độ xác suất. Giá trò trung bình bình phương của điện áp hay dòng điện nhiễu được diễn tả như công suất nhiễu. Ngoài ra nhiễu cũng thường biểu diễn dưới dạng hàm mật độ phổ công suất nhiễu (W/ Hz). 4.2. NHIỄU NHIỆT (THERMAL NOISE) Nhiễu nhiệt gây ra bởi sự dòch chuyển ngẫu nhiên của các điện tử và iôn trong các vật dẫn, điện trở. Nó được nghiên cứu và phát hiện bởi J.B Johnson năm 1928 nên còn gọi là nhiễu Johnson. Nhiễu nhiệt phát sinh ở dạng điện áp hay dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ, có phổ trải dài vô hạn nên còn có tên là nhiễu trắng. Công suất nhiễu nhiệt xác đònh bởi: N = P n = k.T.B k - hằng số Boltzmann 1,83.10 23 J/K T - nhiệt độ tuyệt đối điện trở, tính bằng độ K (X 0 C+273 0 ) B - băng thông hệ thống đang xét (Hz). Công suất nhiễu tỷ lệ với băng thông, do đó để giảm công suất nhiễu các máy thu cần thiết kế sao cho có băng thông là nhỏ nhất. Xét nguồn nhiễu gây ra bởi điện trở R có gắn tải phối hợp R L . Khi đó điện áp nhiễu e n sẽ chia đôi trên R và R L . Công suất nhiễu trên điện trở R sẽ là: ( ) B.T.k R 2/E PN 2 n nther === . Điện áp hiệu dụng nhiễu của điện trở R phát sinh nhiễu: R.B.T.k4E n = hay E n 2 = 4k.T.B.R Ví dụ: Tìm điện áp nhiễu tạo ra bởi điện trở R = 1MΩ ở nhiệt độ phòng 17 0 C trên băng thông 1MHz. Giải: Áp dụng công thức: ( ) V12610.10.17273.10.38,1.4R.B.T.k4E 6623 n µ=+== − Từ ví dụ trên ta thấy rằng một volt kế với trở kháng ngõ vào 1MΩ có băng thông 1MHz sẽ tạo ra một điện áp nhiễu 126 µV tại đầu vào. Do vậy một tín hiệu khoảng 500 µV hoặc nhỏ hơn sẽ đo không chính xác bằng volt kế có băng thông như trên nhưng trở kháng ngõ vào chỉ 50Ω và chỉ gây ra một điện áp nhiễu 0,9 µV. Điều này lý giải tại sao trở kháng thấp là điều mong muốn đối với các mạch nhiễu thấp. Mạch điện tử 3 38 R.fkT4E n ∆= R R L 2 E n Hình 4.1. Mạch tương đương nguồn nhiễu có Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Ví dụ: Một bộ khuếch đại hoạt động ở 27 0 C có băng thông 4MHz, điện trở ngõ vào 100Ω. Độ lợi điện áp 200Ω; tín hiệu ngõ vào hiệu dụng 5 µV. Xác đònh tín hiệu và nhiễu ở ngõ ra, giả sử bỏ qua nhiễu ngoài. Giải: Mức nhiễu ngõ vào: ( ) V57,2100.10.4.27273.10.38,1.4R.B.T.k4E 623 n µ=+== − Mức nhiễu ngõ ra E no = 200.2,57 = 0,514 mV Mức tín hiệu ngõ ra V o = 200.5 = 1mV. Tỷ số điện áp tín hiệu trên nhiễu ngõ ra 95,1 514,0 1 E V no o == Đây là một tỷ số khó được chấp nhận cho một bộ khuếch đại trong một hệ thống thông tin. Bình phương điện áp nhiễu gây bởi hai điện trở mắc nối tiếp E n 2 = E n1 2 + E n2 2 = 4k.T(R 1 + R 2 ).B R 1 R 1 + R 2 BkTR4E 1 2 1n = BkTR4E 2 2 2n = R 2 B)RR(kT4EEE 21 2 2n 2 1n 2 n +=+= Tương tự, điện áp nhiễu bình phương của hai điện trở mắc song song là: B. RR R.R .T.k4E 21 21 2 n + = Nói chung, nhiễu nhiệt không chòu ảnh hưởng bởi dòng điện chảy qua điện trở (trừ điện trở Carbon - thường dùng trong thiết bò điện tử phổ thông như ampli, điều khiển điện tử, không phù hợp với phần cao tần máy thu) dòng điện ảnh hưởng tới nhiễu được tạo ra trong bán dẫn dưới dạng nhiễu bán dẫn. 4.3. NHIỄU BÁN DẪN (TRANSISTOR NOISE) Một nguồn nhiễu ngẫu nhiên quan trọng cần xét trong thiết kế mạch là nhiễu của các phần tử tích cực bán dẫn : diode, BJT, FET, IC … gồm nhiều tần số thấp (excess noise). nhiễu tần số cao (Transit - time noise) và đặc biệt là nhiễu shot. a) Excess noise: phát minh bởi khuyết tật bề mặt tinh thể bán dẫn. Đối với BJT, FET xảy ra tần số dưới 1 KHz, hàm mật độ phổ công suất nhiễu tỷ lệ nghòch với tần số, tỷ lệ thuận với nhiệt độ và dòng DC. Nó còn gọi là nhiễu Flicker hay nhiễu 1/f. Mạch điện tử 3 39 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp b) Transit - time noise: xuất hiện ở vùng tần số cao quanh tần số cutoff của thiết bò, khi thời gian di chuyển của điện tích qua mối nối có thể sánh được với chu kỳ của tín hiệu, sẽ có một ít điện tích khuếch tán ngược trở lại nguồn hoặc Emitter. c) Shot noise: gây ra bởi bản chất dòch chuyển của dòng điện trong chất bán dẫn. Các hạt mang điện trong chất bán dẫn không di chuyển thành dòng một cách liên tục ổn đònh, ngay cả dòng DC bởi vì khoảng cách mà chúng di chuyển phụ thuộc một cách ngẫu nhiên vào đường chuyển động. Khi có dòng điện chảy qua tiếp giáp P-N phân cực thuận thì phát sinh dòng điện nhiễu shot: B.qI2I DCn = hay I n 2 = 2qI DC .B q - điện tích điện tử l,6.l0 -19 C I DC - dòng DC B- băng thông Mô hình nhiễu shot khi thời gian di chuyển của điện tích qua tiếp giáp nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. DC d qI kT r = r d - điện trở động tiếp giáp phân cực thuận diode. i n I DC Hình 4.1. Mô hình nhiễu shot. DC d I.q kT r = Giống như nhiễu nhiệt, nhiễu shot hoàn toàn ngẫu nhiên và có mật độ phổ công suất bằng phẳng trải theo tần số. Ví dụ: Xác đònh dòng nhiễu và điện áp nhiễu tương đương của diode có mô hình trên. Cho I DC = l mA ; B = 10MHz; t o = 17 o C. Giải: B.qI2I DCn = = 56,6 nA Điện trở động tiếp giáp Ω==== 26 )mA(I )mV(26 qI kT rr DCDC dJ (tại nhiệt độ phòng 17 0 C). E n = I n .r d = 56,6.10 -9 .26 = 1,47 µV Mạch điện tử 3 40 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp 4.4. MẬT ĐỘ PHỔ CÔNG SUẤT NHIỄU VÀ TÍNH TOÁN Để tính toán nhiễu của mạch, cần xác đònh nhiễu của các thành phần mạch. Công suất nhiễu của các nguồn nhiễu cộng lại thành tổng công suất nhiễu của mạch. Giả sử P n là tổng công suất nhiễu có được trong băng thông B. Ta có )Hz/W(kT B P B N N n o === - công suất nhiễu ở băng thông 1 Hz còn gọi là mật độ phổ nhiễu. Khi xem xét nhiễu trong mạch có phần tử bán dẫn, điện trở ta sẽ tính điện áp nhiễu, dòng nhiễu, mật độ phổ nhiễu, công suất nhiễu. Sau đó tính nhiễu với băng thông xem xét. Ví dụ: Cho mạch sau ở t o = 27 o C. BPF lý tưởng R D, Si 20K V rms volmeter +10V KHz100f =∆ Hình 4.3. Mật độ phổ điện áp nhiễu nhiệt của điện trở R: )Hz/V(R.T.k4 B E 2 2 n = Tương tự có mật độ phổ dòng nhiễu nhiệt của điện trở R: 2 2 n 2 2 n ther 2 n R B E B R E B I ==         R - điện trở gây ra nhiễu nhiệt. Mật độ phổ dòng nhiễu shot của diode: DC 2 n I.q2 B I = Mật độ phổ điện áp nhiễu shot do có dòng điện chảy qua r d : shot 2 n 2 d 2 d 2 n shot 2 n B I r B r.I B E         ==         r j = r d - điện trở động tiếp giáp diode. Tổng điện áp nhiễu trên diode gồm: dd r,Ther 2 n 2 d shot 2 n r,Ther 2 n shot 2 n Total 2 n B I r B E B E B E B E         +         =         +         =         Trong đó Mạch điện tử 3 41 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp 2 2 n Ther 2 n R B E B I         =         Total 2 n 2 d 2 n 2 n 2 d Shot 2 n 2 d Ther 2 n 2 d Total 2 n B I rshot B I ther B I r B I r B I r B E         =         +=         +         =         Giả sử bộ lọc thông giải BPF lý tưởng có băng thông ∆f, khi đó điện áp nhiễu tổng cộng trong băng thông xem xét: B.shot B E ther B E E 2 n 2 n n         += Ví dụ: Xác đònh điện áp nhiễu ở hình 4.3. Giải: Điện trở R gây ra mật độ phổ (điện áp) nhiễu nhiệt: B E 2 n = 4k.T.R = 4. l,38.l0 -23 .(273+27).20.10 3 = 3,32.10 -16 (V 2 /Hz) Nhiễu nhiệt tạo bởi diode rất nhỏ so với nhiễu nhiệt gây ra bởi điện trở R = 20 KΩ BPF 20K V Hình 4.4. Mô hình nhiễu tương đương mạch hình 4.3. I n E n Dòng một chiều qua diode mA465,0 K20 7V10 I DC = Ω − = . Mật độ phổ dòng điện nhiễu shot: B I 2 n = 2q.I DC = 2. l,6.l0 -19 .0,465.10 -3 = 1,488.10 -22 (A 2 /Hz) Điện trở động tiếp giáp P-N: )mA(I )mV(26 r DC d = Mật độ phổ dòng nhiễu nhiệt gây bởi điện trở R = 20 KΩ Mạch điện tử 3 42 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Hz/A10.3,8 )10.23( 10.32,3 R B E B I 223 23 16 2 2 n Ther 2 n − − ==         =         Điện áp nhiễu nhiệt qua diode ther 2 n 2 d ther 2 n B I r B E         =         Trong đó : Ω== 9,55 )mA(465,0 )mV(26 r d ther 2 n B E         = (55,9) 2 .(8,3.10 -25 ) = 2,6.10 -21 V 2 /Hz Dòng nhiễu shot của diode tạo nên điện áp nhiễu shot shot 2 n 2 d shot 2 n B I r B E         =         = (55,9) 2 .(1,488.10 -22 ) = 4,65.10 -19 V 2 /Hz Tổng mật độ điện áp nhiễu trên diode Ther 2 n shot 2 n Total 2 n B E B E B E         +         =         = 4,650.10 -19 + 0,026.10 -19 = 4,676.10 -19 V 2 /Hz Ở đây nhiễu shot mạnh hơn nhiều nhiễu nhiệt. Qua bộ lọc BPF, tổng điện áp nhiễu ngõ ra: 519 shot 2 n ther 2 n n 10.10.676,4B. B E B E E − =                 +         = = 2,16.10 -7 Vrms = 0,216 µVrms 4.5. TÍNH TOÁN NHIỄU. 1. Hệ số nhiễu (noise Figure) Tỷ số N S thể hiện thành phần nhiễu tại bất kỳ một điểm nào đó trong hệ thống, nhưng không là một thông số để chỉ ra có bao nhiêu nhiễu được cộng thêm vào trên đường truyền tín hiệu, chẳng hạn từ ngõ vào tới ngõ ra bộ khuếch đại. Nhiễu được cộng thêm ở đây là nhiễu nhiệt, nhiễu bán dẫn. Hệ số nhiễu (Noise Figure - NF) là đại lượng đặc trưng cho vấn đề này và được đònh nghóa như sau: ( )         == NoSo NiSi dB P/P P/P lg10NRlg10NF         = NoSo NiSi P/P P/P NR (Noise Ratio - tỷ số nhiễu) (P Si / P Ni ) tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu tại ngõ vào (P So / P No ) tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ở ngỏ ra. Mạch điện tử 3 43 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Bộ khuếch đại lý tưởng có No So Ni Si P P P P = ⇒ NR = l; NF = 0 dB. Trong thực tế không bao giờ có được như vậy NF do nhà chế tạo cung cấp NF < 3dB là tốt, NF < 1,2 dB - rất tốt. Ví dụ: Bộ khuếch đại dùng BJT có N S tại ngỏ vào là 10 và tại ngỏ ra là 5. Tính NR và NF. Giải: 2 5 10 P/P P/P NR NoSo NiSi ==         = NF = 10 lgNR = l01g2 = 3 dB. 2. Ảnh hưởng của trở kháng đối với nhiễu Theo lý thuyết trở kháng không gây ra nhiễu tới hệ thống. Điều này chỉ đúng với các tụ điện và cuộn cảm lý tưởng, thực tế các phần tử kháng này luôn có thành phần điện trở tổn hao mà chính nó sẽ gây ra nhiễu. Nhưng nhiễu gây ra bởi các thành phần tổn hao này có ảnh hưởng không đáng kể tới hệ thống so với nhiễu nhiệt và nhiễu shot, do vậy chúng thường được bỏ qua. Ảnh hưởng của các mạch có tính kháng RC, LC, RTC. RL là băng thông nhiễu. Giả sử mạch có băng thông - 3dB là băng thông B thì băng thông tương đương được dùng để tính nhiễu được tính: B. 2 B n π = Vậy băng thông nhiễu luôn lớn hơn băng thông hệ thống, tức là nhiễu vẫn qua hệ thống ở dưới tần số cắt - 3dB. 3. Nhiễu do nhiều tầng khuếch đại ghép liên tiếp Giả sử biết tỷ số nhiễu NR n và hệ số khuếch đại công suất A pn của n tầng khuếch đại ghép nối tiếp. Tỷ số nhiễu của hệ thống được tính theo công thức Friss: 1pn2p1p n 2p1p 3 1p 2 1 A AA 1NR AA 1NR A 1NR NRNR − − ++ − + − += Ví dụ: Cho 2 tầng khuếch đại với thông số sau: NF 1 = 2dB A P1 = 12dB NF 2 = 6dB A P2 = 10dB Tính NR và NF hệ thống. Giải: NF 1 = 2 dB ⇒ NR 1 = 1,59; A p1 = 12 dB ⇒ A p1 = 15,9 NF 2 = 6 dB ⇒ NR 2 = 4; A p2 = 10 dB ⇒ A p1 = 10 Mạch điện tử 3 44 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp 779,1 9,15 14 59,1NR = − += NF = l01g l,779 = 2,5 dB. 4. Nhiệt độ nhiễu tương đương Thông thường NR nằm giữa 1 và 10. Để mở rộng thang đo, biểu diễn tỷ số nhiễu qua nhiệt độ nhiễu tương đương Teq rất thuận tiện tính toán công suất nhiễu cho các thiết microwave, thông tự vệ tinh … Teq = T(NR-1) T - nhiệt độ tuyệt đối = 273 0 + t 0 môi trường. Như vậy với mức nhiễu thấp thì Teq biến đổi lớn hơn NF, dễ so sánh và dễ hiểu hơn NF, nên thường được dùng. Ví dụ: NF =1dB ⇒ NR = 10 0,1 = 1,26 ⇒ Ở nhiệt độ phòng 17 o C có Teq = 75 o K. Tương tự với NF =1,6dB ⇒ NR = 10 0,16 = 1,44 ⇒ Teq ≈ 18 0 K. Nhiễu được xem xét nhiều ở tần số viba do tác động mạnh ở tần số cao nhiều hơn, trong đó nhiễu nội đóng vai trò quyết đònh giới hạn khả năng (độ nhạy) của các hệ thống thông tin hiện đại. Mức nhiễu trong hệ thống tỷ lệ thuận với nhiệt độ, băng thông, dòng chảy trong mạch, độ lợi, điện trở. Nhiễu thấp khi mạch có độ lợi nhỏ, dòng DC và điện trở nhỏ, băng thông nhỏ, nhiệt độ thấp. Mức tín hiệu (điện áp hay công suất) nhỏ nhất ngỏ vào máy thu ứng với tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu cho trước ngõ ra gọi là độ nhạy. 4.6. BÁN DẪN KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP Bộ khuếch đại cao tần (RF Amp - LNA) nằm ở ngỏ vào máy thu có nhiệm vụ: phối hợp trở kháng với anten, tiền chọn lọc tín hiệu cao tần, loại nhiễu tần số ảnh (f IMage = f c + 2f IF ), khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu nhỏ ngõ vào máy thu tới mức cần thiết đổi tần, tăng độ nhạy máy thu. LNA thường có từ 1 đến 3 tầng khuếch đại tuyến tính có điều hưởng chọn lọc tần số - băng thông tín hiệu mong muốn và AGC (Automatic Gain Control). Mỗi tầng cung cấp độ lợi từ 10 ÷ 30 dB. Các linh kiện tích cực nhiễu thấp được dùng là BJT, JFET, MOSFET, GaAsFET, MESFET, HEMT (High electron mobility transistor). Từ công thức Friss: 1pn2p1p n 2p1p 3 1p 2 1 A AA 1NR AA 1NR A 1NR NRNR − − ++ − + − += Ta thấy tầng đầu tiên quan trọng nhất, cần có hệ số nhiễu thấp và hệ số khuếch đại công suất cao, dẫn đến công suất tiêu tán tăng, nhiễu tăng. Do đó phải thoả hiệp trong Mạch điện tử 3 45 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp thiết kế LNA sao cho tầng đầu có NF 1 cực tiểu với A p1 đủ lớn, tần thứ hai có NF 2 vừa phải và A p2 lớn. Trong RFamp dùng BJT, nguồn nhiễu nội là shot noise của tiếp giáp Emitter – Baze và Baze - Collector, nhiễu nhiệt của điện trở Baze và điện trở phân cực. Bán dẫn cao tần nhiễu thấp (Low noise Transistor) được chế tạo bằng công nghệ đặc biệt nhiều tiếp giáp Emitter, giảm điện trở cực Baze, tăng độ lợi β. Tuy nhiên tần số tăng thì NF cũng tăng 6 dB/ octave 10 NF dB 10 f 8 6 4 2 0,1f f f c 10 NF dB I C mA 8 6 4 2 5 12 1510 Hình 4.5. Đồ thò NF của BJT theo tần số và dòng phân cực. Mỗi BJT nhiễu thấp có trở kháng tối ưu phụ thuộc vào tần số cho bởi nhà sản xuất. JFET có trở kháng vào và ra lớn, NF rất thấp, đáp tuyến tuyến tính tần số hoạt động cao, độ khuếch đại lớn. Thường dùng làm LNA tầng đầu máy thu cao cấp (thông tin vệ tinh, viba). MOSFET hai cực cửa có NF cao hơn JFET một ít do có diode zener bảo vệ tónh điện ngỏ vào. Các đặc điểm khác giống JFET nhưng trội hơn ở chỗ thuận tiện thiết kế mạch khuếch đại có AGC nhờ cực cửa thứ hai. GaAs FET được ứng dụng nhiều ở tần số viba (>1 GHz), các điện tích chuyển động trong GaAs nhanh hơn nhiều so với BJT cùng kích thước, đáp ứng tần số cao tốt, nhiễu đặc trưng bởi NF nhỏ (< 1 dB), độ khuếch đại lớn, tuyến tính. Công nghệ chế tạo GaAsFET nhỏ hơn BJT. GaAsFET ứng dụng nhiều trong công nghệ MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), đổi A/D tốc độ cao … Một công nghệ hứa hẹn khác cho LNA ở tần số viba là SiGeHBT (Silicon - Gemanium heterojunction bipolar transistor) hoạt động với điện áp thấp, công suất tiêu tán nhỏ, tích hợp cao, giá rẻ, tần số làm việc cao. MESFET (Metal - Semiconductor FET) là JFET trên nền N - GaAs với cực cửa dạng diode shottky đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, hệ số khuếch đại lớn, tần số hoạt động cao. Một dạng khác của JFET là HEMT (High electron Mobility transistor) có cấu trúc màng mỏng, nhiễu thấp ở tần số rất cao NF = 1,8 dB ở 40 GHz và 2,6 dB ở 62 GHz A p = 11. Hiện nay HEMT có f T = 362 GHz. Mạch điện tử 3 46 [...]... điện áp nhiễu ngỏ vào: E 2 n2 I 2 2 R 2 I 2 2 L = n2 2 = n2 g m R L g m 2 Nguồn nhiễu E n 2 được diễn giải là nguồn nhiễu nhiệt của điện dẫn g m Tương tự 2 nhiễu nhiệt của tải RL có thể biểu diễn như nguồn nhiễu E n 3 mắc nối tiếp ngỏ vào E2 3 = n 4 kTR L g2 R 2 m L Mạch khuếch đại không nhiễu và các nguồn nhiễu qui về ngõ vào như sau: Mạch điện tử 3 47 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Vcc... KΩ 9.10 − 25 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp NRmin = 1 + 8.10 −16 + 9.10 −25.9.108 = 4,35 4.1,37.10 − 23.290.30.103 NFmin = 10 1g NRmin = 6,4 dB 4.8 TÍNH TOÁN LNA 1 Mô tả mạch nhiễu thấp Mạch khuếch đại tuyến tính có nhiễu được biểu diễn bởi mạch khuếch đại không nhiễu và các nguồn nhiễu En, In qui về ngõ vào RS 4kTRS E2 n I2 n ES + - + Vo - Hình 4.8 Trường hợp dùng BJT: nguồn nhiễu shot I... giữa nguồn và 50 Mạch điện tử 3 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp S ngõ vào bộ khuếch đại Tỷ số vòng dây n hợp lý cho phép đạt NF cực tiểu và   cực  N  out đại 4 Khuếch đại nhiễu thấp LNA C2 C1 S Rb RS D G RL N1 = n 1 + - VDD N2 = n 2 Vi Hình 4.10 Từ các phân tích trước, xét LNA dùng FET trở kháng vào nhỏ, cần phối hợp với điện trở nguồn Rs Rb tạo phân cực ở vùng tuyến tính C 1 và C2 coi.. .Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Sự lựa chọn linh kiện nhiễu thấp cho LNA tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể, dung hoà trong mục đích sử dụng Ví dụ: 1/ Nếu chọn hệ số nhiễu cực tiểu thì không thể đạt độ lợi công suất lớn nhất 2/ Chọn độ lợi công suất lớn nhất thì hệ số nhiễu sẽ không cực tiểu 3/ khuếch đại dải rộng thì độ lợi cực đại không trở nên quan trọng 4.7 NHIỄU TRONG KHUẾCH ĐẠI BÁN... phải có NF nhỏ nhất Thay đổi điện trở nguồn  N out S tín hiệu, tỷ số   cũng thay đổi ở ngõ vào  N  in Xét mạch tương đương nguồn nhiễu ngõ vào khuếch đại: Mạch điện tử 3 49 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Es và Rs là nguồn điện áp và điện trở nguồn tín hiệu vào Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ vào trong băng thông 1 Hz: S E2 = 2 2 2s N E n + I n R s + 4 kTR s I2 R2 n S E2 n E 2 = 4 kTR... Mạch vào tương đương của tầng khuếch đại có dạng: S RS N1 = n1 Z’S N2 = n2 G Hình 4.11 Trở kháng vào tương đương của FET:  n + n2 z' s = R s  1  n  1     2 Để tỷ số nhiễu cực tiểu và tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại thì tỷ số vòng dây cần có sao cho 2  n + n2  En Rs  1  n  = I = Rn   1  n En và In là điện áp và dòng điện nhiễu của bán dẫn Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của khuếch đại. .. phân cực ngỏ vào nguồn điện áp nhiễu En gây dòng phân cực ngõ ra và nhiễu nhiệt của điện trở tải En chính là điện áp nhiễu hiệu dụng xuất hiện ở ngõ vào ngắn mạch của bộ khuếch đại không nhiễu 2 NR của mạch: Tỷ số nhiễu (noise ratio) của mạch trong băng thông 1 Hz 2 E 2 + I 2 R s + 4 kTR s n n NR = 1 + 4 kTR s 2 Ví dụ: µA 741 có mật độ điện áp nhiễu E n ≥ 8.10-16 V2/Hz tại 1KHz 2 Mật độ dòng nhiễu I n... 52 Mạch điện tử 3 Ic ; β I 2 2 = 2qI c n Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp và rb' 1 V 26 mV = = T = β gm Ic I c mA Viết lại nhiễu ngõ vào: N i = 4 kTR s + 4 kTrb' + 2 2qI c 2 2qVT 4qVT rb' 2qI c rb2' R s + + + (V 2 / Hz) 2 β Ic β β Biến thiên của nhiễu theo dòng phân cực: 2 2 dN i 2qR s 2qrb2' 2qVT = + 2 − 2 dI c β β Ic Suy ra dòng phân cực tối ưu để có nhiễu cực tiểu: Ic = (r 2 b' VT β 2 + β.R... tử 3 51 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp VS Zi RS gmVSG RL N1 = n1 N2 = n2 Vi VG Hình 4.12 Trở kháng vào của tầng khuếch đại Vs Zi = = g m VGS   n  Vs = g m  1 + 2    n1    n    g m 1 +  2 .Vs  n    1  −1 Tương tự ở sơ đồ cực cổng chung C2 C1 S Rb RS VS D G Zi RS VDD+ - Vi RL n2 gmVSG Z’S RL n1 Vi Hình 4.13 2   n + n 2   n1 + n 2  1 2 Z = Rs   n  và Zi =... mô hình bán dẫn khuếch đại với các nguồn nhiễu I 2 2 - Mật độ dòng điện nhiễu shot do dòng phân cực ngỏ ra n I 21 - Mật độ dòng nhiễu shot do dòng phân cực ngỏ vào n E 2 on2 Nếu trở kháng ra Zo bán dẫn rất lớn hơn R L, mật độ điện áp nhiễu ngỏ ra do I n2 là: = I 2 2 R L n Vcc RL E 2 = 4 kTR L n Vi I I22 n 2 n1 Hình 4.6 Để tiện xem xét, cần qui các nguồn nhiễu về ngỏ vào: Độ khuếch đại điện áp (với . và Mạch điện tử 3 50 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp ngõ vào bộ khuếch đại. Tỷ số vòng dây n hợp lý cho phép đạt NF cực tiểu và out N S       cực đại. 4. Khuếch đại nhiễu thấp. đổi ở ngõ vào. Xét mạch tương đương nguồn nhiễu ngõ vào khuếch đại: Mạch điện tử 3 49 Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp E s và R s là nguồn điện áp và điện trở nguồn tín hiệu vào. Tỷ. Chương 4 - Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp Chương 4 NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiễu (Tạp âm) là tín hiệu không mong muốn, xuất