Chương 4: NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

Chia sẻ: Trần Quang Thịnh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chöông 4 Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp NHIEÃU VAØ KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP 4.1. ÑAËT VAÁN ÑEÀ Nhieãu (Taïp aâm) laø tín hieäu khoâng mong muoán, xuaát hieän töø nhieàu nguoàn khaùc nhau

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 4: NHIỄU VÀ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Chöông 4 NHIEÃU VAØ KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP 4.1. ÑAËT VAÁN ÑEÀ Nhieãu(Taïp aâm)laø tín hieäukhoângmongmuoán,xuaáthieäntöø nhieàunguoàn khaùc nhau (döôùi daïng ñieän aùp hay doøng ñieän) cheøn vaøo tín hieäu höõu ích laøm giaûmchaátlöôïng tín hieäuthudaãnñeánsai leächthoângtin. Nhieãuvaánñeàraátquantroïngcuûañieäntöû thoângtin vaø xöû lyù tín hieäu. Chaátlöôïng thu cuûaheäthoángñieäntöû thoângtin ñaùnhgiaù theo tyû soá coâng suaáttín hieäutreâncoângsuaátnhieãungoõvaøomaùythu. S PS (coâng trung suaát bình tínhieäu cuûa ) S PS = hay (dB) = 10lg N PN (coâng trung suaát bình nhieãu cuûa ) N PN S S chæsöï töông quan ñoä maïnh cuûa tín hieäu so vôùi nhieãu. Neáu nhoû hôn N N giaùtrò aánñònhngöôõng,tín hieäuthukhoângñaït chaátlöôïng, thoângtin bò sai leäch. Nhieãucoù theåñöôïc chia thaønhhai loaïi: Nhieãungoaøi: gaâyra bôûi moâi tröôøngtruyeàn. - Nhieãutrong(noäi) gaâyra do thieátbò thu. - 1. Nhieãu ngoaøi: a) Nhieãu nhaân taïo: gaây ra bôûi caùc cô cheátia löûa ñieän nhö: ñoängcô ñieän ñeøn huyønh quang, ñaùnh löûa ñoäng cô xe, … chuùng ñeán anten 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 baàukhí quyeåntraùi ñaát,chuû yeáudo saámchôùp. Phoå cuûanoù ñöôïc xemnhö laø voâ haïn, nhöng coù maättyû leä nghòch vôùi taàn soá do ñoù thöôøng chægaây aûnh höôûng trongvuøngtaànsoánhoûhôn20MHz. c) Nhieãu vuõ truï: gaâyra bôûi böùc xaï maëttrôøi, maëttraêng,sao, thieânhaø … Chuùngcoù phoåtöø 8MHz ñeánl,5GHz. Thaätra chuùngcoù chöùathaønhphaàntaànsoá thaáphôn 8MHz, tuy nhieân caùc thaønh phaànñoù bò haáp thuï bôûi taàngñieän ly cuûa traùi ñaáttröôùckhi ñeánmaëtñaát. 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 quy veà ngoõ vaøo, gaây aûnh höôûng maïnh nhaát taïi taàng khueáchñaïi ñaàu tieân cuûamaùythu(Rx) vì taïi nôi ñaâytín hieäuthu coù möùcnhoûnhaáttreânneânnhieãulôùn S nhaátdo ñoù nhoû nhaát.Caùc taàngkhueáchñaïi sau taàngñoåi taàncuõngtaïo nhieãu N nhöng ít aûnh höôûng so vôùi taàngñaàu. Maùy thu phaûi ñöôïc thieát keá caån thaänvôùi Maïch ñieän töû 3 37
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp ñaëc tính nhieãu thaáp. Taàng khueách ñaïi cao taàn nhieãu thaáp oøn goïi x c ngoõ vaøo R laø khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA (Low Noise Amp). Nhieãu noäi ngaãu nhieân trong maùy thu phaàn lôùn ôû daïng nhieãu nhieät, nhieãu shot, nhieãu l/f, transit - time noise. Nhieãu ngaãu nhieân noùi chung, ñöôïc moâ taû baèng ñaëc tuyeán 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 chuyeånngaãunhieân cuûa caùc ñieän töû vaø ioân trong caùc vaät daãn, ñieän trôû. Noù ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt hieän bôûi J.B Johnson naêm1928 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 coøncoù teânlaø nhieãutraéng. Coângsuaátnhieãunhieätxaùcñònhbôûi: N = P = k.T.B n k - haèng soá Boltzmann 1,83.1023J/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. Khi ñoù ñieän aùp nhieãu en seõ chia ñoâi treân R En R vaø RL. Coâng suaát nhieãu treân ñieän trôû R seõ RL 2 laø: ( En / 2) 2 = k.T.B . E n = 4kT∆f .R N ther = Pn = R Hình 4.1. Maï h töông c Ñieän aùp hieäu duïng nhieãu cuûa ñieän trôû R ñöông nguoà nhieã coù n u phaùt sinh nhieãu: E n = 4k.T.B.R hay En2 = 4k.T.B.R Ví duï: Tìm ñieän aùp nhieãutaïo ra bôûi ñieän trôû R = 1MΩ ôû nhieät ñoä phoøng 170C treân baêng thoâng 1MHz. Giaûi: AÙp duïngcoângthöùc: E n = 4k.T.B.R = 4.138 10 23.( 273 17.10 .10 = 126 V +)66 ,.− µ 38 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Töø ví duï treânta thaáyraèngmoät volt keá vôùi trôû khaùngngoõ vaøo 1MΩ coù baêngthoâng1MHz seõ taïo ra moätñieänaùp nhieãu126 µV taïi ñaàuvaøo. Do vaäy moät tín hieäu khoaûng 500 µV hoaëc nhoû hôn seõ ño khoâng chính xaùc baèng volt keá coù baêngthoângnhö treânnhöngtrôû khaùngngoõ vaøo chæ50Ω vaø chægaâyra moätñieän aùp nhieãu 0,9 µV. Ñieàu naøy lyù giaûi taïi sao trôû khaùngthaáplaø ñieàu mong muoán ñoái vôùi caùcmaïchnhieãuthaáp. Ví duï: Moät boä khueáchñaïi hoaït ñoäng ôû 270C coù baêng thoâng 4MHz, ñieän trôû ngoõ vaøo 100Ω . Ñoä lôïi ñieän aùp 200Ω ; tín hieäu ngoõ vaøo hieäu duïng 5 µV. Xaùc ñònh tín hieäu vaø nhieãu ôû ngoõ ra, giaû söû boû qua nhieãu ngoaøi. Giaûi: Möùc nhieãungoõvaøo: E n = 4k.T.B.R = 4.138 10 23.( 273+ 27.4.10 .100= 2,57 V ) ,.− µ 6 Möùc nhieãu ngoõ ra = 200.2,57 = 0,514 mV no E Möùc tín hieäu ngoõ ra Vo = 200.5 = 1mV. Vo 1 = = 195 , Tyû soá ñieän aùp tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra E no 0,514 Ñaây laø moät tyû soá khoù ñöôïc chaáp nhaän cho moät boä khueách ñaïi trong moät heä thoáng thoâng tin. Bình phöông ñieän aùp nhieãu gaây bôûi hai ñieän trôû maéc noái tieáp En2 = En12 + En22 = 4k.T(R1 + R2).B R1 +R2 R1 E 21 = 4kTR1B E 2 = E 21 + E 22 = 4kT(R1 + R 2 )B n n n n R2 E 22 = 4kTR 2B n Töông töï, ñieän aùp nhieãu bình phöông cuûa hai ñieän trôû maéc song song laø: R1.R 2 E2 = 4k.T. .B n R1 + R 2 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 ampli, 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 döôùi daïng nhieãu baùn daãn. Maïch ñieän töû 3 39
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp 4.3. NHIEÃU BAÙN DAÃN (TRANSISTOR NOISE) Moät nguoàn nhieãu ngaãunhieân quan troïng caàn xeùt trong thieát keá maïch laø nhieãucuûa caùc phaàntöû tích cöïc baùn daãn: diode, BJT, FET, IC … goàmnhieàutaàn soá thaáp(excessnoise). nhieãutaànsoá cao (Transit - timenoise) vaø ñaëcbieätlaø nhieãu shot. a) Excess noise: phaùtminhbôûi khuyeáttaätbeàmaëttinh theåbaùndaãn.Ñoái vôùi BJT, FET xaûy ra taàn soá döôùi 1 KHz, haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu tyû leä nghòchvôùi taànsoá,tyû leä thuaänvôùi nhieätñoävaødoøngDC. Noù coøngoïi laø nhieãu Flicker haynhieãu1/f. b) Transit - time noise: xuaáthieänôû vuøngtaànsoácao quanhtaànsoácutoff cuûa thieátbò, khi thôøi gian di chuyeåncuûañieäntích quamoái noái coù theåsaùnhñöôïc vôùi chu kyø cuûatín hieäu,seõcoù moätít ñieäntích khueáchtaùnngöôïc trôû laïi nguoànhoaëc Emitter. c) Shot noise: gaây ra bôûi baûn chaát dòch chuyeåncuûa 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 khoaûngcaùch maø chuùngdi chuyeånphuï thuoäcmoätcaùchngaãunhieânvaøoñöôøngchuyeånñoäng. Khi coù doøng ñieän chaûy qua tieáp giaùp P-N phaân cöïc thuaän thì phaùt sinh In = doøng ñieän nhieãu shot: 2qIDC .B hay n2 = 2qIDC.B I q - ñieän tích ñieän töû l,6.l0-19C 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. kT rd = qIDC rd - ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp phaân cöïc thuaän diode. I DC kT rd = in q.I DC Hình 4.1. Moâhình nhieã shot. u 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 ñònhdoøngnhieãuvaø ñieänaùpnhieãutöôngñöôngcuûadiodecoù moâhình treân.Cho I DC = l mA ; B = 10MHz; to = 17oC. 40 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Giaûi: I n = 2qIDC .B =56,6nA kT 26 mV) ( Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp = rJ = rd = = 26 (taïi nhieät ñoä phoøng Ω qIDC I DC (mA) 0 17 C). En = In.rd = 56,6.10-9.26 = 1,47 µV 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 nhieãucuûamaïch. Giaû söû nPlaø toång coâng suaát nhieãu coù ñöôïc trong baêng thoâng NP B. Ta coù No = = n = kT (W / Hz) - coâng suaát nhieãu ôû baêng thoâng 1 BB Hz 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 maïchsauôû to = 27oC. +10V R rms 20K volmeter BPF V lyù ng töôû D, Si ∆f = 100KHz Hình 4.3. Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R: 2 E = 4k.T.R (V 2 / Hz) n B Töông töï coù maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R: E2 E2 n n  I2  2  n = R = B  B R2   ther B R - ñieän trôû gaây ra nhieãu nhieät. I2 Maät ñoä phoå doøng nhieãu shot cuûa diode: n = 2q.I DC B Maïch ñieän töû 3 41
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu shot do coù doøng ñieän chaûy qua r d:  E2  2 I n  I 2.rd 2 2 = = rd   n n B  B B  shot  shot rj = rd - ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp diode. Toång ñieän aùp nhieãu treân diode goàm:  E2   E2   E2   E2  2 I  2  n = n + n =  n  + rd  n  B     B  Total  B shot  B  Ther, rd  B shot  Ther, rd Trong ñoù  E2   n B  In  2 =  2   B R   Ther  E2  2 I n  2 I n  2 I n  2 I 2  2 2 2 I2  = rd   + rd   = rd  ther+ shot = rd  n   n n B  B  B B   B B   Total   Ther  Shot     Total 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:  E2  E2 E n =  n ther+ n shot .B  B  B   Ví duï: Xaùc ñònhñieänaùpnhieãuôû hình4.3. Giaûi: ÑieäntrôûR gaâyra maätñoäphoå(ñieänaùp)nhieãunhieät: E2 -23 .(273+27).20.103 = 3,32.10-16 (V2/Hz) = 4k .T.R = 4. l,38.l0 n B Nhieãu nhieät taïo bôûi diode raát nhoû so vôùi nhieãu nhieät gaây ra bôûi ñieän trôû R = 20 KΩ 20K En BPF V In Hình 4.4. Moâhình nhieã töông ñöông maï h hình 4.3. u c 42 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp 10V − 7 Doøngmoätchieàuquadiode I DC = = 0,465 A . m 20K Ω Maätñoäphoådoøngñieännhieãushot: I2 = 2qDC = 2. l,6.l0-19.0,465.10-3 = 1,488.10-22 (A2/Hz) .I n B 26 mV) ( Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp P-N: rd = I DC (mA) Maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät gaây bôûi ñieän trôû R = 20 KΩ  E2   n  B  3,32 10 16  I2  .− =  2 =  n − = 8,3.10 23A 2 / Hz  B (23 10 )2 .3 R  Ther Ñieän aùp nhieãu nhieät qua diode  E2  2 I  2  n  = rd  n  B  B  ther  ther 26 mV) ( Trong ñoù : rd = = 559Ω , 0,465mA) (  E2   n  = (55,9)2.(8,3.10-25) = 2,6.10-21 V2/Hz B   ther Doøng nhieãu shot cuûa diode taïo neân ñieän aùp nhieãu shot  E2  2 I  2  n  = rd  n  = (55,9)2.(1,488.10-22) = 4,65.10-19 V2/Hz B  B  shot  shot Toång maät ñoä ñieän aùp nhieãu treân diode  E2   E2   E2   n =  n  +  n  = 4,650.10-19 + 0,026.10-19 = 4,676.10- B     Total  B shot  B  Ther 19 V2/Hz ÔÛ ñaây nhieãu shot maïnh hôn nhieàu nhieãu nhieät. Qua boä loïc BPF, toång ñieän aùp nhieãu ngoõ ra:  E2   E2   En =  n  +  n  .B = 4,67610 19.10 = 2,16.10-7 Vrms = 0,216 .− 5 B B   ther  shot   µVrms 4.5. TÍNH TOAÙN NHIEÃU. 1. Heä soá nhieãu (noise Figure) S Tyû soá theåhieänthaønhphaànnhieãutaïi baátkyø moätñieåmnaøo ñoù trong N heäthoáng,nhöngkhoânglaø moätthoângsoáñeåchæra coù baonhieâunhieãuñöôïc coäng theâm vaøo treân ñöôøng truyeàn tín hieäu, chaúng haïn töø ngoõ vaøo tôùi ngoõ ra boä Maïch ñieän töû 3 43
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp khueáchñaïi. Nhieãu ñöôïc coäng theâmôû ñaây laø nhieãu nhieät, nhieãu baùn daãn. Heä soá nhieãu(Noise Figure - NF) laø ñaïi löôïng ñaëctröng cho vaánñeànaøy vaø ñöôïc ñònh nghóanhösau:  P /P  NF( dB) = 10lgNR = 10lg Si Ni   P /P   So No   P /P  NR =  Si Ni  (NoiseRatio - tyû soánhieãu)  P /P   So No  (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 ôû ngoû ra. PSi PSo = ⇒ NR = l; NF = 0 dB. Boä khueách ñaïi lyù töôûng coù PNi PNo Trong thöïc teá khoâng bao giôø coù ñöôïc nhö vaäy NF do nhaø cheá taïo cung caáp NF < 3dB laø toát, NF < 1,2 dB - raát toát. S Ví duï: Boä khueáchñaïi duøngBJT coù taïi ngoûvaøolaø 10 vaøtaïi ngoûra laø 5. Tính N NR vaøNF. Giaûi:  P / P  10 NR =  Si Ni  =  P /P  5 = 2  So No  NF =10 lgNR =l01g2=3 dB. 2. AÛnh höôûng cuûa trôû khaùng ñoái vôùi nhieãu Theo lyù thuyeáttrôû khaùngkhoânggaâyra nhieãutôùi heäthoáng.Ñieàunaøy chæ ñuùngvôùi caùc tuï ñieänvaø cuoäncaûmlyù töôûng,thöïc teácaùc phaàntöû khaùngnaøy luoâncoù thaønhphaànñieäntrôû toånhao maøchính noù seõ gaâyra nhieãu.Nhöngnhieãu gaây ra bôûi caùc thaønhphaàntoån hao naøy coù aûnh höôûngkhoângñaùngkeå tôùi heä thoángso vôùi nhieãunhieätvaønhieãushot,do vaäychuùngthöôøngñöôïc boûqua. AÛnh höôûngcuûacaùc maïch coù tính khaùngRC, LC, RTC. RL laø baêngthoâng nhieãu. Giaû söû maïch coù baêngthoâng- 3dB laø baêngthoângB thì baêngthoângtöông ñöôngñöôïc duøngñeåtính nhieãuñöôïc tính: π Bn = .B 2 Vaäy baêngthoângnhieãuluoân lôùn hôn baêngthoângheä thoáng, töùc laø nhieãu vaãnquaheäthoángôû döôùi taànsoácaét- 3dB. 3. Nhieãu do nhieàu taàng khueách ñaïi gheùp lieân tieáp Giaû söû bieát tyû soá nhieãu aø heä soá khueách ñaïi coâng suaát Apn n v NR cuûa n taàng khueách ñaïi gheùp noái tieáp. Tyû soá nhieãu cuûa heä thoáng ñöôïc tính theo coâng thöùc Friss: NR2 − 1 NR3 − 1 NR n − 1 NR = NR1 + + + ...+ A p1 A p1A p2 A p1A p2...A pn−1 44 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Ví duï: Cho 2 taàngkhueáchñaïi vôùi thoângsoásau: NF1 =2dB NF2 =6dB A P1 =12dB A P2 =10dB Tính NR vaøNF heäthoáng. Giaûi: NF1 = 2 dB ⇒ NR1 = 1,59; Ap1 = 12 dB ⇒ Ap1 = 15,9 NF2 = 6 dB ⇒ NR2 = 4; Ap2 = 10 dB ⇒ Ap1 = 10 4− 1 NR = 159+ = 1 779 , , 159 , NF = l01g l,779 = 2,5 dB. 4. Nhieät ñoä nhieãu töông ñöông ThoângthöôøngNR naèmgiöõa 1 vaø 10. Ñeå môû roängthangño, bieåudieãntyû soá nhieãuqua nhieät ñoä nhieãutöông ñöông Teq raát thuaäntieän tính toaùn coâng suaát nhieãucho caùcthieátmicrowave,thoângtöï veätinh … Teq =T(NR-1) T - nhieät ñoä tuyeät ñoái 0= 273 oâi tröôøng. + t0 m 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. Töông töï vôùi NF =1,6dB ⇒ NR = 100,16 = 1,44 ⇒ Teq ≈ 180K. Nhieãu ñöôïc xem xeùt nhieàu ôû taàn soá viba 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, baêng thoâng nhoû, nhieät ñoä thaáp. Möùc tín hieäu (ñieän aùp hay coâng suaát) nhoû nhaát ngoû vaøo maùy thu öùng vôùi tyû soá coâng suaát tín hieäu treân nhieãu cho tröôùc ngoõ ra goïi laø ñoä nhaïy. 4.6. BAÙN DAÃN KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP Boä khueách ñaïi cao taàn (RF Amp - LNA) naèm ôû ngoû vaøo maùy thu coù nh vuï: phoái hôïp trôû khaùng vôùi anten, tieàn choïn loïc tín hieäu cao taàn, loaïi nhieã soá aûnh IMage = fc + 2fIF), khueách ñaïi nhieãu thaáp tín hieäu nhoû ngoõ (f vaøo maùy thu tôùi möùc caàn thieát ñoåi taàn, taêng ñoä nhaïy maùy thu. Maïch ñieän töû 3 45
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA thöôøngcoù töø 1 ñeán3 taàngkhueáchñaïi tuyeántính coù ñieàuhöôûngchoïn loïc taànsoá- baêngthoângtín hieäumongmuoánvaøAGC (AutomaticGain Control). Moãi taàngcungcaápñoälôïi töø 10 ÷ 30 dB. Caùc linh kieän tích cöïc nhieãu thaáp ñöôïc duøng laø BJT, JFET, MOSFET, GaAsFET, MESFET, HEMT (High electronmobility transistor). Töø coângthöùcFriss: NR2 − 1 NR3 − 1 NR n − 1 NR = NR1 + + + ...+ A p1 A p1A p2 A p1A p2...A pn−1 Ta thaáy taàng ñaàu tieân quan troïng nhaát, caàn coù heä soá nhieãu thaáp vaø soá khueách ñaïi coâng suaát cao, daãn ñeán coâng suaát tieâu taùn taêng, nhieãu taêng ñoù phaûi thoaû hieäp trong thieát keá LNA sao cho taàng 1 cöïc coù NF ñaàu tieåu vôùi Ap1 ñuû lôùn, taàn thöù hai coù NF2 vöøa phaûi vaø Ap2 lôùn. Trong RFamp duøng BJT, nguoàn nhieãu noäi laø shot noise cuûa tieáp giaùp Emitter – Baze vaø Baze - Collector, nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû Baze 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 Baze, taêng ñoä lôïi β. Tuy nhieân taàn soá taêng thì NF cuõng taêng 6 dB/ octave NF NF dB dB 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 f fc 5 10 15 0,1f 10 f I C mA Hình 4.5. Ñoàthò NF cuû BJT theo taà soá doø g phaâ cöï . a n vaø n nc 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 khueách 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 diode zener baûo veä tónh ñieän ngoû vaøo. Caùc ñaëc ñieåm khaùc gioáng JFET nhöng troäi hôn ôû choã thuaän tieän thieát keá maïch khueách ñaïi coù AGC nhôø cöïc cöûa thöù hai. GaAs FET ñöôïc öùng duïng nhieàu ôû taàn soá viba (>1 GHz), 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 46 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp (
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Vo = gm.R L Vi Nguoàndoøngnhieàungoûra thaytheánguoànñieänaùpnhieãungoûvaøo: I 22.R2 I 22 E22 = =n n L n g2 .R 2 g2 m L m E2 Nguoàn nhieãu 2 ñöôïc dieãn giaûi laø nguoàn nhieãu nhieät cuûa ñieän daãn g m. n Töông töï nhieãu nhieät cuûa taûi RL coù theå bieåu dieãn nhö nguoàn 2 nhieãu E n3 maéc noái tieáp ngoû vaøo. 4kTRL E23 = n g2 .R2 m L Maïch khueách ñaïi khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu qui veà ngoõ vaøo nhö sau: V cc RL Vi E 22 E 21 n n I2 n Hình 4.7. Nhieãu BJT: Veà nguyeân 1yù, BJT coù hai nguoàn nhieãu shot vaø moät nguoàn nhieãunhieättaïo ra bôûi ñieäntrôûBazerb. E2 = 4kTrb.V2/Hz. n I 21 = 2qIB A2/Hz n I 22 = 2qIC A2/Hz n ÔÛ taàn soá f > fβ, doøng nhieãu taêng theo taàn soá:  f2  = I 1+ β 2  2 2 I  fT  n( f ) n   Nhieãu FET: NguoànnhieãucuûaFET cho bôûi: 2,8kT 2 E2 = V /Hz n gm I 2 = 2qIg A2/Hz n gm - ñieän daãn töông hoå; Ig - doøng cöïc cöûa. 48 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Nguoàn nhieãu cuûa MOSFET vaø JFET töông töï nhöng boû qua I g ôû MOSFET. Doøng nhieãu 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: 1  2 E2  dNR In − n  = dRs 4kT  Rs  2   En Vaäy Rs = In 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 µA 741coù caùcthoângsoáôû ví duï treân.Tìm NFmin − 8.10 16 = 30 KΩ Rs toái öu = Giaûi: − 9.10 25 − − 8.10 16 + 9.10 25.9.108 NRmin =1+ = 4,35 4.137 10− 23.29030 10 ..3 ,. NFmin = 10 1g NRmin = 6,4 dB 4.8. TÍNH TOAÙN LNA. 1. Moâ taû maïch nhieãu thaáp Maïch khueách ñaïi tuyeán tính coù nhieãu ñöôïc bieåu dieãn bôûi maïch khueác khoâng nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu Eveà ngoõ vaøo. n, In qui RS 4kTRS E2 n Vo + I2 n - ES + - Hình 4.8. Tröôøng hôïp duøng BJT: nguoàn nhieãu shot In do doøng phaân cöïc ngoû 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 khueách ñaïi khoâng nhieãu. 2. NR cuûa maïch: Tyû soánhieãu(noiseratio) cuûamaïchtrongbaêngthoâng1 Hz. E2 + I 2.Rs + 4kTRs 2 NR = 1+ n n 4kTRs 2 Ví duï: µA 741coù maätñoäñieänaùpnhieãu E n ≥ 8.10 V2/Hz taïi 1KHz. -16 Maïch ñieän töû 3 49
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp I2 = Maät ñoä doøng nhieãu 9.10 A2/Hz. Neáu trôû khaùng nguoàn Rs = -25 n 10KΩ , ta coù tyû soá nhieãu cuûa boä khueách ñaïi µA 741 ôû nhieät ñoä 170C laø: 8.10−16 + 0,9.10−16 NR = 1+ = 6.6 ⇒ NF = 8,2dB ,.− 4.137 10 23.290104 . 3. Thieát keá nhieãu thaáp: Tieâu chuaåntoát nhaátñeåthieátkeá nhieãuthaáplaø tyû soá coângsuaáttín hieäu treân nhieãu ngoõ ra cuûa maïch. Vieäc choïn ñieän trôû nguoàn toái öu ñeå coù heä soá  S nhieãucöïc tieåuneânthaäntroïng. Ñeå coù   max khoângnhaátthieátphaûi coù NF  N out  S nhoû nhaát. Thay ñoåi ñieäntrôû nguoàntín hieäu, tyû soá   cuõng thay ñoåi ôû ngoõ  N  in vaøo. Xeùt maïchtöôngñöôngnguoànnhieãungoõvaøokhueáchñaïi: 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: E2 S = 2 2 2s N En + I n.Rs + 4kTRs I 2R 2 E2 nS n E 2 = 4kTR S n RS ES Hình 4.9. S Roõ raøng, neáu Rs nhoû thì seõ lôùn, tuy nhieân khoâng ñaït ñöôïc N S NF cöïc tieåu töùc laø khoâng coù ñöôïc lôùn nhaát vôùi NF nhoû nhaát. N Moät tröôøng hôïp quan troïng thöôøng gaëp laø gheùp bieán aùp giöõa nguoàn tín hieäu vôùi ngoõ vaøo khueách ñaïi. Rs’ = n2.Rs n - tyû soá voøng bieán aùp; Rs’ - trôû khaùng phaûn aûnh cuûa nguoàn Rs. Ñieän aùp tín hieäu: En’ = n.Es. Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra bieán aùp: 50 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp n2.E2  S   = 2 2 4 2s  N out E n + I n.n .Rs + 4kTn .Rs 2  S Toác ñoäthayñoåi cuûa   laø haømcuûan cho bôûi:  N  out ( ) d(S/ N)out 2n.E2 E2 + I n.n4.Rs + 4kTn2.Rs − 2n4I 2.Rs − 4kTn2Rs 2 2 = s n n E2 + I 2.n4.Rs + 4kTn2.Rs 2 dn n n baèngkhoângvôùi: En E n2Rs = hayRs = 2 n In n .I n Töùc laø s khoâng phaûi laø haøm cuûa Rs. Ñaây cuõng laø giaù trò E 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 khueách ñaïi. Tyû soá voøng daây n hôïp lyù cho pheùp ñaït NF cöïc tieåu  S vaø   cöïc ñaïi.  N  out 4. Khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA C2 C1 S D Rb G RS RL N1 =n1 + N2 =n2 Vi - V DD Hình 4.10. Töø caùc phaân tích tröôùc, xeùt LNA duøng FET trôû khaùng vaøo nhoû, caàn p hôïp vôùi ñieän trôû nguoànbRaïo phaân cöïc ôû vuøng tuyeán tính. C1 vaø C2 s. R t coi nhö ngaén maïch ôû taàn soá hoaït ñoäng. Maïch vaøo töông ñöông cuûa taàng khueách ñaïi coù daïng: S N1 =n1 Z’S RS N2 =n2 G Hình 4.11. Maïch ñieän töû 3 51
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp Trôû khaùngvaøotöôngñöôngcuûaFET: 2  n + n2  z's = R s  1 n    1 Ñeå tyû soá nhieãucöïc tieåu vaø tyû soá tín hieäu treânnhieãucöïc ñaïi thì tyû soá voøngdaâycaàncoù saocho. 2 n +n  E R s 1 2  = n = R n n In   1 En vaø In laø ñieän aùp vaø doøng ñieän nhieãu cuûa baùn daãn. Maïch töông ñöông tín hieäu nhoû cuûa khueách ñaïi duøng FET ôû vuøng taàn soá giöõa, boû qua ñieän trôû rd. VS Zi gmV SG RS RL N1 =n1 N2 =n2 Vi VG Hình 4.12. Trôû khaùng vaøo cuûa taàng khueách ñaïi. −1   n  Vs Vs = gm1+ 2  Zi = =  n1    n2  gm.VGS   gm 1+  .Vs n    1  Töông töï ôû sô ñoà cöïc coång chung C2 gmV SG VS C1 n2 Z’S RL S D Rb Zi n1 G RS RL RS V DD+ Vi - Vi Hình 4.13. −1   n + n 2  2  n1 + n2    vaø Zi = gm 1 2   Z = R s '    s  n1    n1     52 Maïch ñieän töû 3
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp 5. Toái öu doøng phaân cöïc BJT nhieãu thaáp: Toångmaätñoänhieãungoõvaøotaàngkhueáchñaïi maécEmitterchung: 2  2 4kT  2 2 r +r   I n2 +  + I n1.Rs N i = 4kTRs + 4kTrb' +  b' b'e  β  RL      Trong ñoùb’e, In1, In2 laø haøm cuûa doøng phaân cöïc ra I c do ñoù coù r theå hieäu ñính doøng phaân cöïc sao cho heä soá nhieãu nhoû nhaát vaø S lôùn nhaát. Giaû söû nhieãu do ñieän trôû taûi RL gaây ra nhoû hôn so N vôùi caùc thaønh phaàn khaùc ta coù: I I 21 = 2qIB = 2q c ; I 22 = 2qIc n n β rb' 1 VT 26 mV = = = vaø β gm I c I c mA Vieát laïi nhieãu ngoõ vaøo: 2 2 2qIc 2 2qVT 4qVT rb' 2qIcrb' N i = 4kTRs + 4kTrb' + .Rs + + + (V 2 / Hz) β β β 2 Ic Bieán thieân cuûa nhieãu theo doøng phaân cöïc: dNi 2qRs 2qr2' 2qVT 2 2 = + 2− 2 b β β dIc Ic Suy ra doøng phaân cöïc toái öu ñeå coù nhieãu cöïc tieåu: VT .β Ic = ; Rs ñieän trôû nguoàn tín hieäu. (r ) 1 + β.Rs 2 2 2 b' Maïch ñieän töû 3 53