›
›

Giáo trình Mạch điện tử thông tin - Chương 4: Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp (LNA)

Download
Chöông 4  
54  
Chöông 4  
NHIEÃU VAØ KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP (LNA)  
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 laø 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, ñöôïc ñaùnh giaù  
theo tyû soá coâng suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu ngoõ vaøo maùy thu.  
PS (coâng suaáttrungbìnhcuûatínhieäu)  
PN (coâng suaáttrungbìnhcuûanhieãu)  
PS  
S
N
S
N
hay  
(dB) 10lg  
PN  
S/N chæ söï töông quan ñoä maïnh cuûa tín hieäu so vôùi nhieãu.  
Neáu S/N 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 hai loaïi:  
Nhieãu ngoaøi: ñöôïc gaây ra bôûi moâi tröôøng truyeàn.  
Nhieãu trong (noäi): gaây ra do thieát bò thu.  
1- Nhieãu ngoaøi  
a- Nhieãu nhaân taïo: ñöôïc gaây ra bôûi caùc cô cheá tia löûa ñieän nhö  
ñoäng cô 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: laø moät daïng nhieãu ngaãu nhieân, gaây ra 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: ñöôïc gaây ra bôûi böùc xaï maët trôøi, maët traêng, sao,  
thieân haø... Chuùng coù phoå töø 8MHz ñeán 1,5GHz. Thaät ra chuùng coù chöùa  
thaønh phaàn taàn soá thaáp hôn 8MHz, tuy nhieân caùc thaønh phaàn ñoù bò  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
55  
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  
khueách 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 S/N nhoû nhaát. Caùc taàng  
khueách 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 khueách ñaïi cao taàn nhieãu thaáp ngoõ vaøo Rx coøn goïi laø  
khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA (low noise amp).  
Nhieãu noäi ngaãu nhieân trong maùy thu phaàn lôùn ôû daïng nhieãu  
nhieät, nhieãu ngaén, nhieãu 1/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 xuaát.  
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  
ñöôïc 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, chuùng 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  
trong ñoù: k - laø haèng soá Boltzmans 1,38.10–23 (J/K)  
T - laø nhieät ñoä tuyeät ñoái ñieän trôû, tính baèng ñoä K (XoC+273o)  
B - laø 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.  
Chöông 4  
56  
Neáu ñieän aùp nhieãu en seõ chia ñoâi treân  
R vaø RL. Khi ñoù coâng suaát nhieãu treân ñieän  
R
trôû R seõ laø:  
(En /2)2  
En  
RL  
2
Nther Pn   
k.T.B  
R
Ñieän aùp hieäu duïng nhieãu cuûa ñieän trôû  
R phaùt sinh nhieãu seõ laø:  
4kTf.R  
En =  
En 4k.T.B.R  
Hình 4.1 Maïch töông  
ñöông nguoàn nhieãu coù taûi  
hay  
En2 4k.T.B.R  
Ví duï 4.1 Tìm ñieän aùp nhieãu taïo ra bôûi ñieän trôû R = 1M, ôû nhieät ñoä  
phoøng 17oC treân baêng thoâng 1MHz  
Giaûi: AÙp duïng coâng thöùc  
En 4k.T.B.R 41,381023 (273 17)106 106 126 V  
Töø ví duï treân ta thaáy, moät von keá vôùi trôû khaùng ngoõ vaøo laø 1M  
seõ coù baêng thoâng laø 1MHz, vaø seõ taïo ra moät ñieän aùp nhieãu 126V taïi  
ñaàu vaøo. Do vaäy, moät tín hieäu khoaûng 500V 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 0,9V. Ñieàu  
naøy lyù giaûi taïi sao trôû khaùng thaáp laø ñieàu mong muoán ñoái vôùi caùc  
maïch nhieãu thaáp.  
Ví duï 4.2 Moät boä khueách ñaïi hoaït ñoäng ôû 27oC; coù baêng thoâng 4MHz;  
ñieän trôû ngoõ vaøo 100; ñoä lôïi ñieän aùp 200; tín hieäu ngoõ vaøo hieäu duïng  
5V. Xaùc ñònh tín hieäu vaø nhieãu ôû ngoõ ra, giaû söû boû qua nhieãu ngoaøi.  
Giaûi: Möùc nhieãu ngoõ vaøo laø:  
En 4k.T.B.R 41,381023 (273 27)4106 100 2,57 V  
Möùc nhieãu ngoõ ra Eno 200 2,57 0,514 mV  
Möùc tín hieäu ngoõ ra Vo 200 5 1 mV  
Vo  
Eno  
1
Tyû soá ñieän aùp tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra  
1,95  
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 En2 En2 4k.T(R1 R2).B  
1
2
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
57  
R1  
R1 + R2  
En21 = 4kTR1B  
Töông ñöông  
2
2
2
+
En2  
En1 = 4kT(R1 + R2)B = En1  
R2  
En22 = 4kTR2B  
Töông töï, ñieän aùp nhieãu bình phöông cuûa hai ñieän trôû maéc song  
R1R2  
R1 R2  
song laø:  
En2 4kT  
.B  
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.  
4.3 NHIEÃU BAÙN DAÃN (TRANSISTOR 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.  
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.  
b- Transit - time noise: xuaát hieän ôû vuøng taàn soá cao quanh taàn soá  
cutoff cuûa thieát bò. Khi thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän tích qua moái noái  
coù theå saùnh ñöôïc vôùi chu kyø cuûa tín hieäu, seõ coù moät ít ñieän tích  
khueách 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.  
Chöông 4  
58  
Khi coù doøng ñieän chaûy qua tieáp giaùp p-n phaân cöïc thuaän, thì  
phaùt sinh doøng ñieän nhieãu shot:  
In 2q.IDC.B hay In2 2q.IDC.B  
19  
trong ñoù: q - laø ñieän tích ñieän töû 1,6.10  
C; IDC - laø doøng DC;  
B - laø baêng thoâng.  
Moâ hình nhieãu shot khi  
thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän  
tích qua tieáp giaùp nhoû hôn chu  
kyø tín hieäu.  
IDC  
kT  
q.lDC  
in  
rd =  
kT  
q.IDC  
rd   
vôùi rd laø ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp  
phaân cöïc thuaän diod.  
Hình 4.2 Moâ hình nhieãu shot  
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 4.3 Xaùc ñònh doøng nhieãu vaø ñieän aùp nhieãu töông ñöông cuûa diod  
coù moâ hình (H.4.2). Cho IDC = 1mA; B = 10MHz; to = 17oC.  
Giaûi:  
In 2q.IDC.B 56,6 ma  
Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp:  
kT  
q.IDC  
(taïi nhieät ñoä phoøng 17oC)  
26 mV  
IDC ma  
rJ rd   
26   
En In.rd 56,6 109 26 1,47 V  
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.  
Giaû söû Pn laø toång coâng suaát nhieãu coù ñöôïc trong baêng thoâng B.  
Pn  
B
N
B
Ta coù No   
kT(W/Hz) - 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.  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
59  
Ví duï 4.4 Cho maïch sau ôû to = 17oC. Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu nhieät  
cuûa ñieän trôû R:  
+10V  
En2  
4k.T.R (V2/Hz)  
B
20k  
R
rms  
volmeter  
Töông töï coù maät ñoä phoå doøng  
nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:  
BPF  
lyù töôûng  
V
2
2
In  
B
En  
(En2/B)  
f = 100kHz  
B   
Si  
R2   
R2  
ther  
Hình 4.3  
2q.IDC  
vôùi R laø ñieän trôû gaây ra nhieãu nhieät.  
Maät ñoä phoå doøng nhieãu shot cuûa diod:  
In2  
B
Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu shot do coù doøng ñieän chaûy qua rd:  
2
2
En  
In2.rd2  
B
In  
2  
r  
d   
B
B
shot  
shot  
vôùi rj = rd laø ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp diod.  
Toång ñieän aùp nhieãu treân diod goàm:  
2
2
2
2
2
En  
B
En  
B
En  
B
En  
In  
2  
r  
d   
B
B
total  
shot  
ther, r  
shot  
ther, r  
d
d
2
2
In  
En  
R2  
trong ñoù:  
B
B
ther  
2
2
2
En  
In  
In  
2  
2  
r  
r  
d   
d   
B
B
B
total  
ther  
shot  
2
2
In  
In2  
B
In  
2  
2  
r  
ther   
shot r  
d   
d   
B
B
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:  
2
En2  
B
En  
B
En   
ther   
shot .B  
Ví duï 4.5 Xaùc ñònh ñieän aùp nhieãu ôû hình 4.4.  
Giaûi: Ñieän trôû R gaây ra maät ñoä phoå (ñieän aùp) nhieãu nhieät:  
Chöông 4  
60  
En2  
B
4k.T.R  
41,381023(27327)20103 3,321016 (V2/Hz)  
Nhieãu nhieät taïo bôûi diod raát  
nhoû so vôùi nhieãu nhieät gaây ra bôûi  
ñieän trôû R = 20k.  
20k  
En  
Doøng moät chieàu qua diod  
10v0,7  
BPF  
IDC  
0,465 ma  
20k  
rd  
In  
V
Maät ñoä phoå doøng ñieän nhieãu shot:  
In2  
2.q.IDC  
Hình 4.4 Moâ hình  
nhieãu töông ñöông  
maïch hình 4.3  
B
21,6.1019 0,465.103  
1,488.1022(A2 /Hz )  
Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp p – n:  
26  
mV  
IDC ma  
rd   
Maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät gaây bôûi ñieän trôû R = 20k.  
2
(En2 / B)  
3,321016  
In  
B
8,31023 (A2/Hz)  
R2  
(20103)2  
ther  
Ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa diod  
2
2
En  
In  
2  
r  
d   
B
B
ther  
ther  
26 mV  
0,465 ma  
trong ñoù:  
rd   
55,9   
2
En  
(55,9)2(8,3 1025) 2,6 1021 (V2/Hz)  
B
ther  
Doøng nhieãu shot cuûa diod taïo neân ñieän aùp nhieãu shot.  
2
2
En  
In  
2  
r  
d   
B
B
shot  
shot  
(55,9)2 (1,488 1022) 4,65 1019 (V2/Hz)  
Toång maät ñoä ñieän aùp nhieãu treân diod.  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
61  
2
2
2
En  
En  
En  
B
B
B
total  
ther  
shot  
0,026 1019 4,650 1019 4,676 1019 (V2/Hz)  
ÔÛ ñaây nhieãu shot maïnh hôn nhieàu nhieãu nhieät. Qua boä loïc BPF.  
toång ñieän aùp nhieãu ngoõ ra:  
2
2
En  
En  
.B 4,6761019 105  
En   
B
B
ther  
shot   
2,16 107 (Vrms) 0,216 (vrms)  
4.5 TÍNH TOAÙN NHIEÃU  
1- Heä soá nhieãu (noise figure)  
Tyû soá S/N 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 khueách 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:  
P
P
So  
Si  
NF  
10lg NR 10lg  
(dB)  
P
P
Ni  
No  
P
P
So  
Si  
NR   
(noise ratio - tyû soá nhieãu).  
P
P
Ni  
No  
vôùi: (PSi/PNi) - laø tyû soá CS tín hieäu treân CS nhieãu taïi ngoõ vaøo  
(PSi/PNi) - laø tyû soá CS tín hieäu treân CS nhieãu ôû ngoõ ra.  
Boä khueách ñaïi lyù töôûng coù  
PSi  
PNi  
PSo  
PNo  
NR 1; NF 0dB  
Trong thöïc teá khoâng bao giôø ñaït ñöôïc nhö vaäy, NF do nhaø cheá  
taïo cung caáp. NF < 3dB laø toát; NF < 1,2dB - raát toát.  
Ví duï 4.6 Boä khueách ñaïi duøng BJT coù S/N taïi ngoõ vaøo laø 10 vaø taïi ngoõ  
ra laø 5. Tính NR vaø NF.  
P
P
So  
10  
5
Si  
Giaûi: NR   
2  
P
P
Ni  
No  
NF = 10 lgNR = 10 lg2 = 3dB  
Chöông 4  
62  
2- AÛnh höôûng 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, trong thöïc teá caùc  
phaàn töû khaùng naøy luoân coù thaønh phaàn ñieän trôû toån hao maø do 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.  
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 . B  
2
Vaäy baêng thoâng nhieãu luoân lôùn hôn baêng thoâng heä thoáng, töùc laø  
nhieãu vaãn qua heä thoáng ôû döôùi taàn soá caét -3dB.  
3- Nhieãu do nhieàu taàng khueách ñaïi gheùp lieân tieáp  
Giaû söû bieát tyû soá nhieãu NRn vaø heä soá khueách ñaïi coâng suaát Apn  
cuûa n taàng khueách ñaïi gheùp noái tieáp. Tyû soá nhieãu cuûa heä thoáng ñöôïc  
tính theo coâng thöùc friss:  
NR2 1 NR3 1  
NRn 1  
NR NR1   
...   
Ap  
Ap Ap  
Ap Ap ...Ap  
1
1
2
1
2
n1  
Ví duï 4.7 Cho hai taàng khueách ñaïi vôùi thoâng soá sau:  
NF1 = 2dB  
NF2 = 6dB  
AP = 12dB  
AP = 10dB  
2
1
Tính NR vaø NF heä thoáng.  
NF1 2 dB NR1 1,59;  
Giaûi:  
Ap1 12 dB Ap1 15,9  
Ap2 10 dB Ap2 10  
NF2 6 dB NR2 4;  
4 1  
NR 1,59   
1,779  
;
NF 10lg1,779 2,5 dB  
15,9  
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  
cho vieäc tính toaùn coâng suaát nhieãu, cho caùc thieát bò microwave, thoâng  
tin veä tinh....  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
T(NR 1)  
63  
T
eq  
vôùi T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái = 273o + to moâi tröôøng.  
Nhö vaäy vôùi möùc nhieãu thaáp thì Teq bieán ñoåi lôùn hôn NF, deã so  
saùnh vaø deã hieãu hôn NF, neân thöôøng ñöôïc duøng.  
Ví duï 4.8 NF 1dB NR 100,1 1,26 ôû nhieät ñoä phoøng 17oC  
coù  
T .  
75oK  
eq  
Töông töï vôùi NF 1,6dB NR 100,16 1,44   
T
128oK  
eq  
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, baêng thoâng 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.  
4.6 BAÙN DAÃN KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP  
Boä khueách 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  
- Khueách 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 moät ñeán ba taàng khueách 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 1030dB.  
Caùc linh kieän tích cöïc nhieãu thaáp ñöôïc duøng laø BJT, JFET MOSFET,  
GaAsFET, MESFET, HEMT (high electron mobility transistor).  
Töø coâng thöùc Friss:  
Chöông 4  
64  
NR2 1 NR3 1  
NR NR1   
 
Ap1  
Ap1.Ap2  
Ta thaáy taàng ñaàu tieân laø quan troïng nhaát, caàn coù heä soá nhieãu  
thaáp vaø heä soá khueách ñaïi coâng suaát cao, daãn ñeán coâng suaát tieâu taùn  
taêng, nhieãu taêng. Do ñoù, caàn phaûi thoûa hieäp trong thieát keá LNA sao  
cho taàng ñaàu coù NF1 cöïc tieåu vôùi AP1 ñuû lôùn, taàng thöù hai coù NF2 vöøa  
phaûi vaø AP2 lôùn.  
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.  
NF  
dB  
NF  
dB  
12  
10  
8
10  
8
6
6
4
2
4
2
Ic  
fc  
5 10 15  
0,1f  
f
10 f  
ma  
Hình 4.5 Ñoà thò NF cuûa BJT theo taàn soá vaø doøng phaân cöïc  
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 diod zener  
baûo veä tónh ñieän ngoõ 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.  
GaAsFET 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  
khueách ñaïi lôùn, tuyeán tính. Coâng ngheä cheá taïo GaAsFET nhoû hôn BJT.  
GaAsFET öùng duïng nhieàu trong coâng ngheä MMIC (monolithic microwave  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
65  
integrated circuits), ñoåi A/D toác ñoä cao...  
Moät coâng ngheä höùa heïn khaùc cho LNA ôû taàn soá viba laø SiGeHBT  
(silocon-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 khueách  
ñaïi lôùn, taàn soá hoaït ñoäng cao.  
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 tuøy thuoäc vaøo ñieàu  
kieän cuï theå, dung hoøa 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- Khueách ñaïi daûi roäng thì ñoä lôïi cöïc ñaïi khoâng trôû neân quan troïng.  
4.7 NHIEÃU TRONG KHUEÁCH ÑAÏI BAÙN DAÃN  
Xeùt moâ hình baùn daãn khueách ñaïi vôùi  
caùc nguoàn nhieãu.  
V
cc  
In2 - laø maät ñoä doøng ñieän nhieãu shot  
RL  
E
2
n2 = 4kTR  
do doøng phaân cöïc ngoõ ra.  
L
In2 - laø maät ñoä doøng nhieãu shot do  
1
Vi  
In2  
doøng phaân cöïc ngoõ vaøo.  
In2  
2
1
Neáu trôû khaùng ra Zo baùn daãn raát lôùn  
hôn RL, maät ñoä ñieän aùp nhieãu ngoõ ra do In2  
laø: Eo2 In2 .RL  
Hình 4.6  
n
2
2
Ñeå tieän xem xeùt, caàn qui caùc nguoàn nhieãu veà ngoõ vaøo. Ñoä khueách  
ñaïi ñieän aùp (vôùi RL << zo baùn daãn):  
Vo  
Vi  
gm.RL  
Nguoàn doøng nhieàu ngoõ ra thay theá bôûi nguoàn ñieän aùp nhieãu  
Chöông 4  
66  
In2 .RL2  
gm2 .RL2  
In2  
2
gm2  
ngoõ vaøo: En2  
2
2
Nguoàn nhieãu En2 ñöôïc dieãn giaûi laø nguoàn nhieãu nhieät cuûa ñieän  
2
daãn gm. Töông töï nhieãu nhieät cuûa taûi RL coù theå bieåu dieãn nhö nguoàn  
nhieãu En2 maéc noái tieáp ngoõ vaøo:  
3
4k.T.RL  
gm2 .RL2  
En2  
3
Vce  
RL  
Maïch khueách ñaïi khoâng nhieãu  
vaø caùc nguoàn nhieãu qui veà ngoõ vaøo  
nhö hình 4.7.  
Vi  
Nhieãu BJT: Veà nguyeân lyù, BJT  
coù hai nguoàn nhieãu shot vaø moät  
nguoàn nhieãu nhieät taïo ra bôûi ñieän  
trôû bazô rb’.  
En2  
En2  
2
1
In2  
Hình 4.7  
En2 4k.T.rb (V2/Hz)  
In2 2q.IB (A2/Hz)  
1
In2 2q.Ic (A2/Hz)  
2
ÔÛ taàn soá f f, doøng nhieãu taêng theo taàn soá:  
f 2  
In2 In2 (1    
)
(f )  
fT2  
Nhieãu FET: Nguoàn nhieãu cuûa FET cho bôûi:  
2,8k.T  
En2  
(V2/Hz)  
;
In2 2q.Ig (A2/Hz)  
gm  
vôùi: gm - laø ñieän daãn töông hoã; Ig - laø doøng ræ cöïc cöûa.  
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:  
En2  
dNR  
dRs  
1
4kT  
2
0  
In   
Rs2   
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
67  
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 4.9 Cho A 741 coù caùc thoâng soá ôû ví duï treân. Tìm NFmin  
.
81016  
Giaûi:  
Rs toái öu  
30 k  
91025  
81016 91025 9.108  
NRmin 1   
4,35  
41,371023 29030103  
NFmin 10lg 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 khueách ñaïi khoâng  
nhieãu vaø caùc nguoàn nhieãu En,  
In qui veà ngoõ vaøo.  
E2n  
4kTRs  
Rs  
vo  
+
-
I2n  
+
-
Es  
Tröôøng hôïp duøng BJT:  
Hình 4.8  
nguoàn nhieãu shot In laø do doøng  
phaân cöïc ngoõ vaøo, nguoàn ñieän aùp nhieãu En gaây ra 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 soá nhieãu (Noise Ratio - NR) cuûa maïch trong baêng thoâng 1Hz.  
En2 In2.Rs2 4k.T.Rs  
NR   
4k.T.Rs  
Ví duï 4.10 A 741 coù maät ñoä ñieän aùp nhieãu En2 8 1016 (V2/Hz) taïi  
1kHz. Maät ñoä doøng nhieãu In2 9 1025 (A2/Hz)  
.
Neáu trôû khaùng nguoàn Rs = 10k, ta coù tyû soá nhieãu cuûa boä khueách  
ñaïi A 741 ôû nhieät ñoä 17oC laø:  
81016 0,91016  
NR 1   
6,6 NF 8,2 dB  
41,371023 290104  
Chöông 4  
68  
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.  
- Ñeå coù (S/N)out cöïc ñaïi khoâng nhaát thieát phaûi coù NF nhoû nhaát.  
- Khi thay ñoåi ñieän trôû nguoàn tín hieäu, tyû soá (S/N)in cuõng thay  
ñoåi ôû ngoõ vaøo.  
Xeùt maïch töông ñöông nguoàn nhieãu  
ngoõ vaøo khueách ñaïi:  
Es vaø Rs laø nguoàn ñieän aùp vaø ñieän  
En2  
I2nR2S  
En2 = 4kTRS  
trôû nguoàn tín hieäu vaøo.  
Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ vaøo  
trong baêng thoâng 1Hz:  
Rs  
Es  
Es2  
S
N
Hình 4.9  
En2 In2.Rs2 4k.T.Rs  
Roõ raøng, neáu Rs nhoû thì S/N seõ lôùn, tuy nhieân khoâng theå ñaït  
ñöôïc NF cöïc tieåu, töùc laø khoâng coù ñöôïc S/N lôùn nhaát vôùi NF nhoû nhaát.  
Moät tröôøng hôïp quan troïng thöôøng gaëp laø gheùp bieán aùp giöõa  
nguoàn tín hieäu vôùi ngoõ vaøo khueách ñaïi:  
,
Rs n2.Rs  
vôùi: n - laø tyû soá voøng bieán aùp; R’s - laø trôû khaùng phaûn aûnh cuûa nguoàn Rs.  
,
Ñieän aùp tín hieäu: En n.Es  
Tyû soá tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra bieán aùp:  
n2.Es2  
S
N
En2 In2.n4.Rs2 4k.T.n2.Rs  
out  
Toác ñoä thay ñoåi cuûa (S/N)out laø haøm cuûa n cho bôûi:  
d(S/N)out 2n.Es2(En2 In2.n4.Rs2 4k.T.n2.Rs 2n4.In2.Rs2 4k.T.n2.Rs)  
0  
En2 In2.n4.Rs2 4k.T.n2.Rs  
dn  
En  
In  
En  
n2.In  
vôùi: n2Rs   
hay Rs   
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  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
69  
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 vaø (S/N)out cöïc ñaïi.  
4- Khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA  
C2  
Rb  
n1  
C1  
S
D
G
RL  
RS  
N1  
N2  
=
=
n2  
+
+
VDD  
Vi  
Hình 4.10  
Töø caùc phaân tích tröôùc, xeùt LNA duøng FET 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  
S
khueách ñaïi coù daïng nhö hình 4.11.  
Trôû khaùng vaøo töông ñöông cuûa  
N1 = n1  
N2 = n2  
,
RS  
ZS  
,
2  
G
n n  
1
2
FET: zs R  
s  
Hình 4.11  
n1  
Ñeå tyû soá nhieãu cöïc tieåu vaø tyû soá tín hieäu treân nhieãu cöïc ñaïi thì  
tyû soá voøng daây caàn coù sao cho:  
n n  
En  
In  
2  
1
2
R
Rn  
s  
n1  
vôùi 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.  
Trôû khaùng vaøo cuûa taàng khueách ñaïi.  
VS  
Vs  
gm.VSG  
Vs  
Zi   
n
  
gmVSG  
N1 = n1  
N2 = n2  
2
gm 1   
Vs  
z1  
RS  
n
  
1
RL  
1  
n2  
n1  
+
Vi  
g
1   
m   
  
VG  
Töông töï ôû sô ñoà cöïc coång chung:  
Hình 4.12  
Chöông 4  
70  
C2  
Rb  
Vs  
gmVSG  
C1  
n2  
n1  
RL  
,
zi  
Zs  
RS  
Vi  
RL  
Rs  
+
+
VDD  
+
Vi  
Hình 4.13  
2  
2 1  
,
n n  
n n  
1 2  
1
2
Zs R  
Zi   
g
s  
m  
n1  
n1  
5- Toái öu doøng phaân cöïc BJT nhieãu thaáp  
Toång maät ñoä nhieãu ngoõ vaøo taàng khueách ñaïi maéc emitter chung:  
2  
r r  
4kT  
RL  
I2  
In2 .Rs2  
b'  
b'e  
Ni 4k.T.Rs 4k.Trb'   
n
2
1
trong ñoù rb'e, In , In laø haøm cuûa doøng phaân cöïc ra Ic do ñoù coù theå hieäu  
1
2
chænh doøng phaân cöïc sao cho heä soá nhieãu nhoû nhaát vaø S/N lôùn nhaát.  
Giaû söû nhieãu do ñieän trôû taûi RL gaây ra nhoû hôn so vôùi caùc thaønh phaàn  
Ic  
khaùc, ta coù: In2 2q.IB 2q  
; In2 2q.Ic  
1
2
r'b  
VT  
Ic  
1
gm  
26 mV  
Ic ma  
vaø  
Vieát laïi nhieãu ngoõ vaøo:  
2q.Ic  
2q.VT2 4q.VTrb' 2q.Ic.rb2'  
Ni 4k.T.Rs 4k.Trb'   
Rs2   
(V2/Hz)  
2  
Ic  
Bieán thieân cuûa nhieãu theo doøng phaân cöïc:  
dNi  
dIc  
2q.Rs2  
2q.rb2'  
2  
2q.VT2  
Ic2  
Suy ra doøng phaân cöïc toái öu ñeå coù nhieãu cöïc tieåu:  
VT.  
(rb2'  .Rs2)1/2  
Ic   
vôùi Rs laø ñieän trôû nguoàn tín hieäu.  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
Caùc daïng maïch LNA  
71  
K359  
68  
1
1
A
ZA  
75  
39  
50p  
20  
39  
39  
,001  
470  
47  
VCC  
+6V  
0,1  
0,1  
Hình 4.14 LNA duøng FET fc = 94 MHz cuûa maùy thu FM  
VCC  
13,5V  
0,01  
300  
0,01  
93nH  
0,01  
16nH  
BFR91  
51  
a)  
550  
24k  
150  
47n  
3,3  
270  
VCC  
20v/5ma  
100  
22k  
3,3n  
100  
BFY 90  
b)  
3,3n  
15  
18  
a) Av = 10 dB; NF = 1,5 dB; B = (10 600) MHz; b) Av = 8 dB; B = (470 800) MHz  
Hình 4.15 Khueách ñaïi LNA (Booster) cho TV  
Vcc  
7812  
+15V  
TO mix  
TO LNB  
a)  
C 2570  
C 2570  
Chöông 4  
72  
Vcc  
7812  
+15V  
TO mix  
TO LNB  
b)  
2BFR91  
Hình 4.16 Hai taàng LNA ngoõ vaøo maùy thu veä tinh  
BF 964  
A
+ VDD  
AGC  
Hình 4.17 RF amp duøng MOSFET coù AGC  
Vcc  
+12V  
1n  
100  
390  
1n  
56k  
1n  
6,8k  
47k  
100k  
2,2k  
56k  
47k  
1n  
1n  
1n  
47k  
56  
1,5  
10,7  
144MHz  
2/11  
1n  
18  
5n  
10/30  
2/11  
10/30  
100  
OSC  
Mix  
RF amp  
3  
BF981  
IF amp  
Hình 4.18 Phaàn cao taàn maùy thu duøng MOSFET hai cöïc cöûa  
10,7  
OSC  
+Vcc  
RF amp 2SK 212  
Mic C 2839  
Hình 4.19 RFamp vaø mix duøng FET, BJT ñieän thoaïi Cordless Telephone  
Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp  
73  
M
BFR 91  
A
To mix  
+ 9V  
Vcc  
TO AGC  
Hình 4.20 Hai taàng LNA cuûa heä thoáng chuyeån tieáp truyeàn hình K7 TP.HCM  
A
To mix  
VT  
NTE 222 40673  
+VDD  
Hình 4.21 Maïch LNA duøng MOSFET coù ñieàu höôûng ñieän töû  
2nH  
Vpd  
VCC  
100  
Power  
down  
8p  
LPackage  
20p  
LC  
CC  
LB  
LPackage  
Hình 4.22 Vi maïch LNA ñieän thoaïi di ñoäng 1,9 PHS MMIC GaAs - 1,9 GHz  
VPd  
5
VCC  
1
Power  
dows  
RC  
RC  
Rf  
Rf  
2
8
6
4
RE  
7
RE  
3
Hình 4.23 Vi maïch hai taàng LNA NE/SA 5200; f = 0 1200 MHz  
Tải về để xem bản đầy đủ
doc 26 trang baolam 22080 Free
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mạch điện tử thông tin - Chương 4: Nhiễu và khuếch đại nhiễu thấp (LNA)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • docgiao_trinh_mach_dien_tu_thong_tin_chuong_4_nhieu_va_khuech_d.doc