Đồ Án Nghiên cứu và thiết kế Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tần số 2,4GHz

MỞ ĐẦU
------

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, nhu cầu phát triển về thông tin liên lạc ngày càng quan trọng. Thế giới thay đổi từng giờ. Thông tin bùng nổ từng phút. Có thể nói chìa khoá thành công trong thời đại này chính là tiếp nhận và xử lý thông tin.
Xã hội ngày càng năng động hơn. Nhu cầu tiếp nhận, cập nhật thông tin của con người cũng tăng cao. Chính vì lý do này, các thiết bị di động ngày càng phổ biến. Không chỉ đơn thuần là giữ liên lạc, các thiết bị di động ngày nay đòi hỏi khả năng truy nhập vào mạng Internet, có khả năng cập nhật thông tin một cách liên tục và nhanh nhất. Chúng cũng cần có khả năng lưu trữ nhiều hơn, các ứng dụng ngày càng mạnh mẽ hơn. Thêm vào đấy, các thiết bị này còn là một phần trang sức với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, đẹp mắt.
Các thiết bị di dộng đòi hỏi ngày càng nhỏ gọn, tiếp nhận thông tin nhanh và chính xác. Vì vậy, yêu cầu phần cứng cho các thiết bị này đòi hỏi ngày càng gắt gao hơn. Đóng vai trò là một bộ tiếp nhận thông tin, các thiết bị di động là một bộ thu phát sóng. Tín hiệu thu được phải là các tín hiệu vô tuyến, với khả năng di động cao, tín hiệu thu được thường rất bé, trong môi trường đầy tạp âm, sóng nhiễu. Chính điều này dẫn đến việc phát triển bộ Khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier), với yêu cầu ngày càng nhỏ gọn, hệ số khuếch đại cao hơn là rất cần thiết.
Thiết bị di động: smart-phone, laptop, tablet ngày càng phổ biến. Số lượng tăng rất nhanh. Việc truy cập vào môi trường Internet đòi hỏi các mạng truy nhập phát triển mạnh mẽ hơn. Không thể không kể đến mạng Wifi với tần số chuẩn 2,4GHz.
Bài toán thiết kế, ứng dụng Bộ khuếch đại tạp âm thấp tại tần số 2,4GHz trở nên cấp thiết và có ý nghĩa quan trọng. Chính vì vậy, quyển đồ án “Nghiên cứu và thiết kế Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tần số 2,4GHz” sẽ trình bày và cố gắng làm rõ hơn các nguyên lý thiết kế, tìm hiểu mô phỏng, cách thức thi công mạch cứng bộ LNA tại 2,4GHz.
Nội dung của luận văn bao gồm 3 chương:
ã Chương 1: Tổng quan.
ã Chương 2: Lý thuyết và thiết kế LNA 2,4GHz.
ã Chương 3: Mô phỏng và thực thi mạch.
Với phần lý thuyết trình bày ở 2 chương đầu, ta sẽ khái quát được hoạt động của các linh kiện trong môi trường vô tuyến (RF – Radio Frequency), các tham số lựa chọn để thiết kế bộ LNA tại tần số thích hợp.
Chương 3 là phần mô phỏng và thực thi mạch, dựa trên phần mềm chuyên dụng ADS2009 (Advanced Design System 2009) của hãng Agilent. Phần mềm này giúp thiết kế và mô phỏng chính xác các thông số, ghép nối linh kiện và đo kiểm trong môi trường RF.
Quyển luận văn đến nay cơ bản đã hoàn thành. Nhưng với thời gian thực hiện tương đối ngắn, kiến thức hẹn hẹp, sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Kính mong nhận được những nhận xét, đóng góp quý báu của Thầy Cô và bạn đọc để quyển luận văn này hoàn chỉnh hơn.


Mục lục
Chương 1 – TỔNG QUAN 3
1.1 Tổng quan Truyền dẫn không dây: 3
1.2 Tổng quan về Wifi: 4
1.3 Khái niệm bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA 6
1.3.1 Vị trí bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA 6
1.3.2 Bộ LNA 2,4GHz 7
Chương 2 – LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ LNA 2,4GHz 9
2.1 Lý thuyết cao tần 9
2.1.1 Khái niệm hệ thống cao tần 9
2.1.2 Các thông số trong hệ thống siêu cao tần 10
2.1.2.a – Các thông số tuyến tính của đường truyền 10
2.1.2.b - Hệ số truyền sóng 10
2.1.2.c - Trở kháng đặc tính 11
2.1.2.d - Hệ số phản xạ 11
2.1.2.e - Hệ số sóng đứng (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio) 11
2.2 Các thông số quan trọng trong thiết kế LNA 11
2.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure 11
2.2.1.a - Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) 12
2.2.1.b – Shot Noise (Shottky Noise) 12
2.2.1.c – Flicker Noise (1/f Noise) 13
2.2.1.d – Hệ số tạp âm Noise Figure (NF) 13
2.2.3 Hệ số khuếch đại 13
2.2.4 Tính ổn định của hệ thống [15] 15
2.2.5 Độ tuyến tính 16
2.3 Mạch thiết kế khả thi 18
2.4 Các mạch thiết kế LNA tham khảo 19
2.5 Lựa chọn mạch thích hợp với tần số mong muốn 21
Chương 3 – MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI MẠCH 22
3.1 Thiết kế và thi công mạch 22
3.1.1 Lựa chọn chương trình mô phỏng 22
3.1.2 Lựa chọn Transistor hỗ trợ thiết kế 22
3.1.3 Lưu đồ thiết kế 25
3.1.4 Yêu cầu thiết kế 27
3.1.5 Thiết kế và mô phỏng mạch trên ADS2009 27
3.1.5.a - Bước 1: 27
3.1.5.b - Bước 2: 27
3.1.5.c - Bước 3: 28
3.1.5.d - Bước 4: 29
3.1.5.e - Bước 5: 30
3.1.6 Thi công mạch LNA 31
3.1.7 Đo kiểm các thông số mạch 32
3.2 Cải thiện thiết kế, mô phỏng và đo đạc lần thứ 2 37
3.2.1 Sơ đồ mạch hoàn chỉnh: 38
3.2.2 Kết quả sau khi matching: 38
3.2.3 Kết quả mô phỏng đạt được: 38
3.2.4 Xuất file Layout, đặt in mạch (lần 2) 39
3.2.5 Thi công mạch LNA (lần 2) 40
3.2.6 Đo kiểm các thông số mạch (lần 2) 41
3.3 Tổng kết quá trình mô phỏng và thực thi mạch 44
3.4 Kết luận và hướng mở đề tài 45
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
PHẦN PHỤ LỤC 48
PL.1 Các chuẩn 802.11 48
PL.1.1 Chuẩn 802.11b 48
PL.1.2 Chuẩn 802.11a 48
PL.1.3 Chuẩn 802.11g 49
PL.1.4 Chuẩn 802.11n 49
PL.2 Các hệ số phản xạ 50
PL.2.1 Hệ số phản xạ tại nguồn: 50
PL.2.2 Hệ số phản xạ tại đích: 50
PL.2.3 Hệ số phản xạ ngõ vào mạng tứ cực: 50
PL.2.3 Hệ số phản xạ ngõ ra mạng tứ cực: 50