Nghiên cứu và xây dựng phương pháp tính toán, thiết kế bộ khuếch đại siêu cao tần công suất lớn dùng đèn bán dẫn

1 Më ®Çu Trong thêi ®¹i ngµy nay, sù ph¸t triÓn nhanh chãng cña khoa häc kü thuËt ®· më ra cho con ng­êi nh÷ng kh¶ n¨ng to lín trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau. §Æc biÖt, trong lÜnh vùc ®iÖn-®iÖn tö ®· cã nh÷ng b­íc ph¸t triÓn v« cïng m¹nh mÏ, réng kh¾p vµ ngµy cµng hiÖn ®¹i h¬n. ViÖc t¨ng nhanh chãng khèi l­îng th«ng tin cÇn xö lý ®Æt ra yªu cÇu cÊp thiÕt ngµy cµng ph¶i hoµn thiÖn c¸c trang thiÕt bÞ, nh»m ®¶m b¶o ®é tin cËy hiÖu suÊt cao, tiÕt kiÖm n¨ng l­îng vµ chi phÝ s¶n xuÊt. Mét trong nh÷ng kh©u quan träng nhÊt cña lÜnh vùc nµy lµ c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín. CÇn modul ho¸ kh©u chøc n¨ng c¬ b¶n nµy, øng dông réng r·i c¸c linh kiÖn b¸n dÉn ®Ó n©ng cao chÊt l­îng, ®¬n gi¶n trong kÕt cÊu, dÔ dµng s¶n xuÊt hµng lo¹t trªn c¸c d©y chuyÒn c«ng nghiÖp. Linh kiÖn b¸n dÉn cã tuæi thä cao, ®iÖn ¸p nguån nu«i thÊp, hiÖu suÊt cao, kÝch th­íc nhá, dÔ l¾p r¸p, ®é tin cËy cao. ChÝnh v× thÕ mµ tuy ra ®êi sau linh kiÖn ®iÖn tö, linh kiÖn b¸n dÉn ®· nhanh chãng chiÕm ®­îc vÞ trÝ phæ biÕn, øng dông trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn vµ ®iÖn tö ë nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau cña khoa häc kü thuËt vµ ®êi sèng. ViÖc sö dông c¸c linh kiÖn b¸n dÉn thÕ hÖ míi thay thÕ cho c¸c ®Ìn ®iÖn tö ®· ®­îc thùc hiÖn hÇu nh­ toµn bé trong c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt võa vµ nhá víi tÇn sè trung b×nh vµ t­¬ng ®èi cao. Tuy vËy, mét sè lo¹i h×nh th«ng tin nh­ Vi ba, Di ®éng, VÖ tinh, Th«ng tin quang cïng mét sè lÜnh vùc kh¸c nh­ Rada, §iÒu khiÓn v.v… l¹i chØ cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë d¶i siªu cao tÇn, khi ®ã, viÖc thay thÕ ®Ìn ®iÖn tö b»ng linh kiÖn b¸n dÉn, ®Æc biÖt ë c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, ®· gÆp ph¶i kh«ng Ýt nh÷ng khã kh¨n vÒ mÆt kü thuËt; Cô thÓ: NÕu muèn t¨ng ®­îc c«ng suÊt th× ph¶i gi¶m tÇn sè c«ng t¸c vµ ng­îc l¹i nÕu muèn t¨ng tÇn sè c«ng t¸c th× ph¶i gi¶m c«ng suÊt, v× hai chØ tiªu nµy khã thùc hiÖn ®­îc cïng mét lóc. MÆc dï trong thùc tÕ hiÖn nay sù tiÕn bé vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o vµ kh¶ n¨ng s¶n xuÊt c¸c linh kiÖn b¸n dÉn ®· ®¹t ®­îc nh÷ng thµnh c«ng nhÊt ®Þnh nh­ng ch­a hoµn toµn ®¸p øng ®­îc c¶ hai yªu cÇu c¬ b¶n vÒ c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. V× vËy viÖc nghiªn cøu vµ x©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn c«ng suÊt lín dïng ®Ìn b¸n dÉn cã ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cao. 2 LuËn v¨n nµy cã nhiÖm vô nghiªn cøu ®ång thêi c¶ hai yªu cÇu nªu trªn, khi tÝnh to¸n, thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i, bao gåm 3 ch­¬ng: Ch­¬ng 1: Tæng quan vÒ c¸c bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn c«ng suÊt lín. Ch­¬ng nµy tr×nh bµy nh÷ng vÊn ®Ò chung nhÊt vÒ nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn trong ®Ìn ®iÖn tö, transistor vµ viÖc øng dông chóng trong c¸c m¹ch khuÕch ®¹i siªu cao tÇn. Ch­¬ng 2: Ph­¬ng ¸n x©y dùng c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. Néi dung chÝnh cña ch­¬ng hai nh»m giíi thiÖu mét sè gi¶i ph¸p n©ng cao c«ng suÊt vµ tÇn sè lµm viÖc cña c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt siªu cao tÇn, ®ång thêi x¸c ®Þnh tÝnh lµm viÖc æn ®Þnh cña c¸c bé khuÕch ®¹i-Mét vÊn ®Ò hÕt søc quan träng cÇn ®Æc biÖt quan t©m trong d¶i siªu cao tÇn. Ch­¬ng 3: X©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. Môc ®Ých chÝnh cña ch­¬ng nµy lµ x©y dùng c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao dïng nhiÒu modul khuÕch ®¹i. Ngoµi ra còng trong ch­¬ng nµy, t¸c gi¶ sÏ ®­a ra thuËt to¸n vµ x©y dùng m« h×nh thiÕt kÕ tèi ­u modul khuÕch ®¹i c«ng suÊt. Xin c¶m ¬n toµn thÓ b¹n bÌ, ®ång nghiÖp vµ gia ®×nh ®· quan t©m, ®éng viªn gióp ®ì t¸c gi¶, ®Æc biÖt t¸c gi¶ xin ch©n thµnh c¶m ¬n ThÇy gi¸o: §¹i t¸- PGS.TS Tr­¬ng V¨n CËp, ng­êi trùc tiÕp h­íng dÉn, ®· giµnh nhiÒu thêi gian, c«ng søc, trÝ tuÖ ®Ó chØ dÉn, gióp ®ì hoµn thµnh luËn v¨n tèt nghiÖp. Do ®iÒu kiÖn vÒ thêi gian còng nh­ h¹n chÕ vÒ tr×nh ®é cña b¶n th©n, thªm vµo ®ã vÊn ®Ò nghiªn cøu vµ thùc hiÖn ®Ò tµi cßn míi mÎ nªn cuèn luËn v¨n kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. T¸c gi¶ rÊt mong nhËn ®­îc sù ®ãng gãp, bæ sung cña héi ®ång chÊm luËn v¨n tèt nghiÖp ®Ó ®Ò tµi ®­îc hoµn thiÖn h¬n. Hµ néi, n¨m 2006. T¸c gi¶. 3 Ch­¬ng 1: Tæng quan vÒ c¸c bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn, c«ng suÊt lín ViÖc t¨ng c«ng suÊt vµ n©ng cao gi¶i tÇn sè c«ng t¸c lµ mét trong nh÷ng nhiÖm vô rÊt cÊp b¸ch, v× hÇu hÕt c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö vèn ®· ®­îc sö dông mét c¸ch triÖt ®Ó ë gi¶i tÇn sè thÊp vµ trung b×nh, víi mËt ®é khai th¸c trong d¶i tÇn v« tuyÕn dÇy ®Æc. Do vËy, mét sè lo¹i h×nh th«ng tin nh­ Vi ba, Di ®éng, VÖ tinh, Th«ng tin quang cïng mét sè lÜnh vùc kh¸c nh­ Radas, §iÒu khiÓn v.v… l¹i chØ lµm viÖc ë gi¶i sãng siªu cao tÇn, lu«n ®ßi hái ®é tin cËy cao vµ ®¹t ®­îc tÇm cao míi, ®ã chÝnh lµ nh÷ng vÊn ®Ò cã ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn. ViÖc nghiªn cøu nh»m hoµn thiÖn trong c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn thÕ hÖ míi; Nh÷ng lý luËn c¬ b¶n vÒ thiÕt kÕ m¹ch khuÕch ®¹i vµ c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt sÏ lÇn l­ît ®­îc ®Ò cËp trong ch­¬ng nµy. 1.1. Nh÷ng yªu cÇu vÒ kü thuËt cÇn gi¶i quyÕt ®èi víi bé khuÕch ®¹i. C¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö truyÒn thèng tr­íc ®©y lµm viÖc ë ph¹m vi tÇn sè thÊp, c«ng suÊt t­¬ng ®èi trung b×nh vµ nhá gÇn nh­ ®· hoµn thiÖn vÒ mÆt c«ng nghÖ vµ kü thuËt. Trong giai ®o¹n hiÖn nay, hÇu hÕt c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè thÊp ®· vµ ®ang sö dông linh kiÖn b¸n dÉn thay thÕ cho ®Ìn ®iÖn tö. Tuy nhiªn, ë mét giíi h¹n c«ng suÊt, tÇn sè c«ng t¸c nµo ®ã th× viÖc sö dông c¸c transistor thay thÕ cho ®Ìn ®iÖn tö cÇn ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu vÒ dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p lín, v­ît qu¸ kh¶ n¨ng chÞu ®ùng vµ kh«ng thÓ ®¸p øng ®­îc mét c¸ch trän vÑn c¸c yªu cÇu vÒ chØ tiªu kü thuËt khi sö dông trong c¸c ®µi rada, ®µi ®iÒu khiÓn, th«ng tin cù ly xa v.v…. VÊn ®Ò lµ ë d¶i siªu cao tÇn ta gÆp ph¶i kh«ng Ýt nh÷ng khã kh¨n vÒ mÆt kü thuËt, ®ã lµ: - C¸c linh kiÖn ®iÖn tö (®Ìn ®iÖn tö, transistor kiÓu cò) th­êng cã hiÖn t­îng qu¸n tÝnh ®iÖn tö do sù chuyÓn ®éng cña c¸c h¹t mang ®iÖn. ë tÇn sè siªu cao thêi gian chuyÓn ®éng nµy cã thÓ so s¸nh ®­îc víi chu kú cña dao ®éng, g©y ra rÊt nhiÒu nh÷ng h¹n chÕ do sù thay ®æi vÒ pha, lµm gi¶m c«ng suÊt cã Ých, t¨ng sãng hµi, dÉn ®Õn sù lµm viÖc víi hiÖu qu¶ thÊp. 4 - Khi t¨ng tÇn sè c«ng t¸c, ¶nh h­ëng cña c¸c tham sè ký sinh do c¸c ®iÖn dung gi÷a c¸c cùc còng nh­ ®iÖn c¶m d©y dÉn g©y ra lµ rÊt nghiªm träng kh«ng thÓ bá qua ®­îc, lµm gi¶m tÇn sè giíi h¹n trong qu¸ tr×nh sö dông. Nh­ vËy ®Ó x©y dùng c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín dïng transistor lµm viÖc ë d¶i tÇn sè siªu cao, cÇn ph¶i sö dông nhiÒu transistor c«ng suÊt vµ dïng nhiÒu modul khuÕch ®¹i ghÐp l¹i víi nhau. §ã chÝnh lµ ph­¬ng ph¸p céng c«ng suÊt sÏ ®­îc nghiªn cøu ë nh÷ng ch­¬ng tiÕp theo. 1.2. Kh¸i qu¸t chung vÒ nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn trong linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn. Do ®Æc thï cña d¶i tÇn c«ng t¸c, mµ c¸c linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao cã rÊt nhiÒu ®Æc tÝnh kh¸c so víi linh kiÖn ®iÖn tö ë d¶i tÇn sè thÊp h¬n (c¸c ®Ìn ®iÖn tö vµ transistor th«ng th­êng). Tuy nhiªn dï chóng cã cÊu tróc rÊt ®a d¹ng vµ nguyªn t¾c c«ng t¸c cô thÓ lµ kh¸c nhau, th× c¸c linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn ®Òu cã nh÷ng ®Æc tÝnh chung. 1. Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn trong ®Ìn ®iÖn tö. §Ó thÊy râ ®Æc tÝnh chung cña linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn, chóng ta quan t©m ®Õn nh÷ng nh©n tè cã tÝnh quyÕt ®Þnh, lµm cho ®Ìn ®iÖn tö th«ng th­êng kh«ng thÓ lµm viÖc ®­îc ë d¶i siªu cao tÇn. Trong c¸c ®Ìn ®iÖn tö th«ng th­êng, thêi gian bay cña c¸c ®iÖn tö gi÷a c¸c cùc cña ®Ìn t=10-8 ¸10-9 gi©y, kho¶ng thêi gian nµy xÊp xØ chu kú dao ®éng siªu cao tÇn ë d¶i sãng mÐt vµ sãng deximÐt, v­ît chu kú cña dao ®éng siªu cao tÇn trong d¶i sãng centimÐt vµ milimÐt. §iÒu ®ã g©y nªn hiÖn t­îng qu¸n tÝnh ®iÖn tö vµ ph¸ ho¹i kh¶ n¨ng lµm viÖc hiÖu qu¶ cña c¸c ®Ìn ®iÖn tö th«ng th­êng khi lµm viÖc ë d¶i sãng siªu cao tÇn. Khi ®ã xuÊt hiÖn tæn hao lín, c«ng suÊt ra gi¶m râ rÖt [5]. Nh©n tè thø hai lµ trong c¸c ®Ìn ®iÖn tö th«ng th­êng, c¸c ®iÖn dung ký sinh gi÷a c¸c cùc cña ®Ìn vµ c¸c ®iÖn c¶m d©y dÉn (cì vµi chôc pF vµ mH) cña chóng t­¬ng ®­¬ng víi c¸c tham sè cña m¹ch céng h­ëng bªn ngoµi d¶i sãng siªu cao tÇn, ®iÒu ®ã lµm gi¶m râ rÖt phÈm chÊt cña m¹ch céng h­ëng, t¨ng tæn hao bøc x¹ vµ gi¶m tÇn sè giíi h¹n c«ng t¸c cña ®Ìn lµm cho chóng kh«ng thùc hiÖn ®­îc c¸c chøc n¨ng nh­ t¹o dao ®éng vµ khuÕch ®¹i. 5 §Ó kh¾c phôc nh÷ng nh©n tè tiªu cùc ë trªn, c¸c linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn ®­îc chÕ t¹o víi c«ng nghÖ míi phÇn nµo sÏ kh¾c phôc ®­îc nh÷ng h¹n chÕ ®ã. §Æc tÝnh thø nhÊt cña linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn lµ cÊu tróc cña chóng bao gåm c¶ m¹ch dao ®éng céng h­ëng t¹o thµnh mét thÓ hoµn chØnh kh«ng t¸ch rêi. §Æc tÝnh thø hai cña linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn lµ viÖc t×m c¸ch biÕn t¸c h¹i cña hiÖn t­îng qu¸n tÝnh ®iÖn tö khi bay trong kh«ng gian gi÷a c¸c ®iÖn cùc trë thµnh qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn chïm ®iÖn tö vÒ vËn tèc, mËt ®é t­¬ng t¸c víi tr­êng siªu cao tÇn råi trao n¨ng l­îng cña chóng cho tr­êng siªu cao. §ã chÝnh lµ qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn ®éng chïm tia ®iÖn tö trong c¸c linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao. Môc ®Ých chÝnh cña linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn lµ biÕn ®æi n¨ng l­îng mét chiÒu cña nguån thµnh n¨ng l­îng dao ®éng siªu cao tÇn nhê chïm tia ®iÖn tö. Dùa vµ qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng cña chïm tia ®iÖn tö vµ sù t­¬ng t¸c cña chóng víi tr­êng siªu cao, ta cã thÓ ph©n nã ra thµnh c¸c lo¹i: */ Dông cô ®iÖn tö siªu cao tÇn lµm viÖc dùa trªn nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn tÜnh nh­ c¸c lo¹i 3 cùc vµ 4 cùc (triod vµ tetrod). */ Dông cô ®iÖn tö siªu cao tÇn lµm viÖc dùa trªn nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng ®iÖn tö víi hÖ dao ®éng céng h­ëng. Lo¹i nµy ®­îc gäi lµ dông cô ®iÖn tö siªu cao tÇn t­¬ng t¸c ng¾n (®Ìn ®iÖn tö Klistron trùc x¹ hay Klistron bay vµ Klistron ph¶n x¹). */ Linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao lµm viÖc dùa trªn nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng ®iÖn tö víi hÖ dao ®éng lµ lo¹i kh«ng céng h­ëng hay lµ hÖ lµm chËm. Lo¹i nµy ®­îc gäi lµ linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn t­¬ng t¸c dµi sãng ch¹y kiÓu “0”, ®Ìn sãng ng­îc kiÓu “0”. */ Linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao lµm viÖc dùa trªn nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng ®iÖn tö trong kh«ng gian cã ®iÖn tõ tr­êng chÐo nhau. Lo¹i nµy cã thÓ coi lµ hçn hîp cña hai lo¹i ®iÒu khiÓn ®éng ®· nªu. §ã lµ c¸c ®Ìn manhªtron, ®Ìn sãng ch¹y kiÓu M, ®Ìn sãng ng­îc kiÓu M, ®Ìn platinotron. Sù kh¸c nhau gi÷a nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng vµ tÜnh lµ sù t­¬ng t¸c vÒ mÆt n¨ng l­îng gi÷a c¸c chïm ®iÖn tö vµ tr­êng siªu cao tÇn ®Ó ®¶m b¶o sao 6 cho khi chóng t­¬ng t¸c lÉn nhau sÏ lµm t¨ng tr­ëng vÒ mÆt biªn ®é dao ®éng. ë ®Ìn Klitstron, ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng ®iÖn tö víi qu¸ tr×nh t¹o nhãm ®iÖn tö trong kh«ng gian qu¸n tÝnh vµ t­¬ng t¸c ng¾n víi tr­êng siªu cao trong khe hÑp cña hép céng h­ëng. Chøc n¨ng chÝnh cña lo¹i linh kiÖn ®iÖn tö nµy lµ khuÕch ®¹i dao ®éng, t¹o dao ®éng hoÆc nh©n tÇn víi hai (hoÆc nhiÒu h¬n) hép céng h­ëng; §Ìn sãng ch¹y thuéc linh kiÖn ®iÖn tö siªu cao tÇn t­¬ng t¸c dµi gi÷a chïm ®iÖn tö víi tr­êng siªu cao tÇn trong hÖ lµm chËm sãng ®iÖn tõ. §Ìn sãng ch¹y lµm viÖc dùa trªn nguyªn t¾c t¹o nhãm ®iÖn tö vµ t­¬ng t¸c víi hµi kh«ng gian thuËn cña hÖ lµm chËm. §Ìn nµy ®­îc dïng ®Ó khuÕch ®¹i c¸c tÝn hiÖu nhá siªu cao tÇn vµ d¶i tÇn c«ng t¸c réng; §Ìn manhªtron (cßn gäi lµ ®Ìn lo¹i M) lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn ®éng chïm ®iÖn tö víi ®iÖn tõ tr­êng kh«ng ®æi ®Æt chÐo nhau. Trong ®Ìn manhªtron tõ tr­êng kh«ng ®æi ®Æt vu«ng gãc víi chiÒu chuyÓn ®éng cña c¸c ®iÖn tö, nã ®­îc dïng lµm bé dao ®éng siªu cao tÇn c«ng suÊt lín; §Ìn platinotron c«ng t¸c dùa trªn nguyªn t¾c t­¬ng t¸c cña chïm ®iÖn tö víi hµi kh«ng gian ng­îc cã ®iÖn tõ tr­êng kh«ng ®æi ®Æt chÐo nhau. Lo¹i ®Ìn nµy cã thÓ coi lµ ®Ìn trung gian gi÷a ®Ìn manhªtron vµ ®Ìn sãng ng­îc kiÓu M [5]. Thùc tÕ c¸c ®Ìn ®iÖn tö siªu cao tÇn chØ ®­îc øng dông trong c¸c m¸y ph¸t cã c«ng suÊt cùc lín nh­ Rada, Tªn löa lµm viÖc ë chÕ ®é xung v.v…. Tuy nhiªn víi tr×nh ®é ph¸t triÓn v­ît bËc cña ngµnh vËt liÖu vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn b¸n dÉn vµ vi ®iÖn tö, thÕ hÖ ®Ìn ®iÖn tö nªu trªn ®· dÇn ®­îc thay thÕ. Ngoµi nh÷ng linh kiÖn ®iÖn tö ®­îc chÕ t¹o tõ chÊt b¸n dÉn ra, hiÖn nay ng­êi ta còng ®· vµ ®ang nghiªn cøu øng dông c¸c hîp chÊt b¸n dÉn gåm c¸c nguyªn tè ë nhãm 3 vµ nhãm 6 ®Ó chÕ t¹o c¸c dông cô b¸n dÉn nh­ gali-asen, gali- antimoan v.v…. C¸c chÊt nµy ®· më ra mét triÓn väng lín trong viÖc chÕ t¹o c¸c linh kiÖn b¸n dÉn míi, cã nh÷ng tÝnh n¨ng ®Æc biÖt nh­ c«ng suÊt lín, d¶i tÇn sè lµm viÖc cao v.v…. 2. Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn trong chÊt b¸n dÉn. ChÊt b¸n dÉn lµ chÊt trung gian gi÷a c¸c chÊt dÉn ®iÖn vµ chÊt c¸ch ®iÖn, vïng cÊm cña chÊt b¸n dÉn hÑp (Eg£2eV). §iÖn trë suÊt cña chÊt b¸n dÉn vµo kho¶ng (10-5- 10-7) W.m vµ phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè nh­ thµnh phÇn t¹p chÊt, nhiÖt ®é, ¸nh s¸ng, tia phãng x¹, c­êng ®é ®iÖn tr­êng v.v…. 7 Dùa vµo c¸c tham sè cña chÊt b¸n dÉn vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o mµ ng­êi ta ®· nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt ra nhiÒu lo¹i transistor kh¸c nhau c¶ vÒ cÊu tróc vµ nguyªn t¾c lµm viÖc. */ Transistor l­ìng cùc (BJT). Transistor l­ìng cùc lµ lo¹i linh kiÖn b¸n dÉn cã 3 miÒn trong cïng mét ®¬n tinh thÓ b¸n dÉn. C¸c miÒn nµy ®­îc ph©n c¸ch víi nhau bëi c¸c chuyÓn tiÕp P-N. T­¬ng øng víi mçi miÒn lµ mét cùc cña transistor. MiÒn b¸n dÉn ë gi÷a 2 chuyÓn tiÕp P-N ®­îc gäi lµ miÒn Bazer. Hai miÒn cßn l¹i th­êng ®­îc chÕ t¹o bÊt ®èi xøng sao cho mét miÒn cã kh¶ n¨ng trÝch c¸c h¹t mang ®iÖn vµo bazer, miÒn nµy ®­îc gäi lµ miÒn Emitor, cßn miÒn kia cã kh¶ n¨ng nhËn ®­îc tÊt c¶ c¸c h¹t mang ®iÖn ®­îc trÝch tõ emitor qua bazer, miÒn nµy ®­îc gäi lµ miÒn Colector. T­¬ng øng víi mçi miÒn lµ c¸c cùc E, B vµ C cña transistor vµ chuyÓn tiÕp P-N gi÷a E vµ B ®­îc gäi lµ chuyÓn tiÕp Emitor, cßn chuyÓn tiÕp gi÷a B vµ C ®­îc gäi lµ chuyÓn tiÕp Colector. NÕu chuyÓn tiÕp Emitor ph©n cùc thuËn cßn chuyÓn tiÕp Colector ph©n cùc ng­îc, ta nãi r»ng transistor lµm viÖc trong miÒn tÝch cùc. Tuú theo thø tù s¾p xÕp cña c¸c miÒn b¸n dÉn mµ chia transistor ra lµm hai lo¹i PNP (transistor thuËn) vµ NPN (transistor ng­îc). Nguyªn lý lµm viÖc cña c¶ hai lo¹i nµy ®Òu gièng nhau. §Ó thuËn tiÖn chóng ta chØ xÐt nguyªn lý lµm viÖc cña transistor lo¹i PNP ®iÓn h×nh víi nh÷ng gi¶ thiÕt nh­ sau: - TÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý x¶y ra trong mét tinh thÓ b¸n dÉn cã kÝch th­íc v« cïng lín. - Transistor ®­îc chÕ t¹o tõ mét tinh thÓ b¸n dÉn cã bÒ mÆt ®­îc gia c«ng hoµn h¶o ®Õn møc c¸c hiÖn t­îng x¶y ra trªn bÒ mÆt tinh thÓ kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh vËt lý x¶y ra ë trong transistor. - C¸c líp tiÕp xóc c«ng nghÖ cña c¸c chuyÓn tiÕp Emitor vµ Colector lµ nh÷ng mÆt ph¼ng song song v« cïng lín. - C¸c qu¸ tr×nh ph©n bè t¹p chÊt trong tinh thÓ b¸n dÉn chØ tiÕn hµnh theo ph­¬ng n»m ngang. Nguyªn t¾c lµm viÖc cña transistor b¸n dÉn lo¹i PNP (transistor thuËn) ®­îc biÓu diÔn trªn h×nh 1.1 [7]. 8 H×nh 1.1: S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc vµ sù ph©n bè nång ®é c¸c h¹t mang ®iÖn kh«ng c©n b»ng trong vïng bazer ë c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña dßng IE. */ Transistor ®¬n cùc (FET). -/ JFET vµ MOSFET. Trong c¸c lo¹i transistor NPN vµ PNP ®· nªu ë trªn, dßng ®iÖn do c¶ hai lo¹i h¹t dÉn lµ do ®iÖn tö vµ lç trèng t¹o nªn qua mét hÖ thèng gåm hai mÆt ghÐp P-N rÊt gÇn nhau ®Ó khi ®iÒu khiÓn mét mÆt ghÐp sÏ lµm thay ®æi dßng ®iÖn, nghÜa lµ dßng ®iÖn vµo sÏ lµm thay ®æi dßng ®iÖn ra qua mÆt ghÐp kia. Transistor tr­êng (FET), lµ mét lo¹i linh kiÖn b¸n dÉn ®­îc ph¸t hiÖn vµo n¨m 1935. Ngµy nay, do sù ph¸t triÓn v« cïng nhanh chãng cña kü thuËt m¹ch tæ hîp, transistor tr­êng ngµy cµng ®­îc sö dông réng r·i vµ ®a d¹ng. Trong kü thuËt, ta hay gÆp hai lo¹i transistor tr­êng: Transistor tr­êng lo¹i chuyÓn tiÕp P-N (J.FET) vµ Transistor tr­êng cã cÊu tróc Kim lo¹i-§iÖn m«i-B¸n dÉn (MOSFET). C¸c JFET vµ MOSFET th­êng gÆp ®­îc chia lµm hai lo¹i: lo¹i kªnh N vµ lo¹i kªnh P. Do ®Æc ®iÓm vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o, do kh¶ n¨ng sö dông trong c¸c m¹ch tæ hîp cì lín, do gi¸ thµnh v.v…. C¸c transistor J.FET kªnh N, MOSFET kªnh N ®­îc sö dông réng r·i h¬n c¶. Transistor tr­êng ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý hiÖu øng tr­êng ®Ó ®iÒu khiÓn ®é dÉn ®iÖn cña tinh thÓ b¸n dÉn nhê t¸c dông cña mét ®iÖn tr­êng ngoµi. Dßng ®iÖn trong transistor tr­êng chØ do mét lo¹i h¹t dÉn t¹o ra. C¬ së vËt lý cña transistor tr­êng lµ dßng ®iÖn ch¹y qua mét m«i tr­êng b¸n dÉn cã tiÕt diÖn thay ®æi d­íi t¸c dông cña ®iÖn tr­êng th¼ng gãc víi líp b¸n dÉn ®ã. Thay ®æi c­êng ®é ®iÖn tr­êng sÏ lµm thay ®æi ®iÖn dÉn cña líp b¸n dÉn vµ do ®ã lµm 9 thay ®æi dßng ®iÖn ®i qua. §iÖn tr­êng ë ®©y lµm nhiÖm vô ®iÒu khiÓn dßng ®iÖn. §Æc ®iÓm cña transistor tr­êng lµ: §iÖn trë vµo lín, tõ vµi MW ®Õn hµng chôc MW cho phÐp khuÕch ®¹i c¸c nguån tÝn hiÖu c«ng suÊt bÐ; Møc nhiÔu nhá nªn chÊt l­îng lµm viÖc tèt; HiÖu øng nhiÖt ng­îc l¹i so víi c¸c transistor th«ng th­êng, nhiÖt ®é t¨ng th× dßng ®iÖn gi¶m. Transistor tr­êng ®­îc øng dông ®Ó khuÕch ®¹i, t¹o dao ®éng vµ phèi hîp trë kh¸ng. -/ MESFET vµ HEMT. Trong thùc tÕ hiÖn nay, ngoµi c¸c transistor kÓ ë trªn ra cßn cã mét sè thiÕt bÞ b¸n dÉn kh¸c còng ®­îc chÕ t¹o tõ nh÷ng chÊt b¸n dÉn, ®ã lµ MESFET vµ HEMT. C¶ hai lo¹i nµy ®Òu lµ b¸n dÉn ba cùc, chóng ®­îc øng dông ®Ó thay thÕ cho ®Ìn ®iÖn tö cång kÒnh, tuæi thä thÊp v.v…. Hai lo¹i thiÕt bÞ ba cùc nµy ®· ®em l¹i ®é tin cËy, ®é æn ®Þnh, hiÖu suÊt cao víi møc chi phÝ thÊp h¬n nhiÒu so víi ®Ìn ®iÖn tö. VÒ c¬ b¶n nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña MESFET vµ HEMT gÇn nh­ hoµn toµn gièng víi JFET vµ MOSFET, tuy nhiªn MESFET vµ HEMT cã mét sè ®Æc ®iÓm c¬ b¶n nh­ sau: Trë kh¸ng vµo lµ v« cïng lín, cho phÐp khuÕch ®¹i nguån tÝn hiÖu vµo rÊt nhá; Møc nhiÔu thÊp (ë tÇn sè 10 GHz, c«ng suÊt lín nhÊt cña nã cã thÓ ®¹t ®­îc 10 W). ThÝch hîp víi b¨ng sãng milimÐt v× nã cã chiÒu dµy vïng bazer lµ rÊt hÑp; HiÖu suÊt cao h¬n h¼n J.FET vµ MOSFET. §Æc biÖt lµ thiÕt bÞ b¸n dÉn HEMT ®­îc øng dông t­¬ng ®èi réng r·i víi nguyªn t¾c ho¹t ®éng biÕn ®æi ion cao, ph¸t huy nh÷ng c«ng dông kh«ng chØ dïng ®Ó lµm phÇn tö khuÕch ®¹i mµ trong nhiÖt ®é phßng nã cßn lµ nh÷ng m¹ch logic tèc ®é cao ë d¶i tÇn sè siªu cao tÇn [10]. So víi ®Ìn ®iÖn tö, transistor nãi chung cã nhiÒu ­u ®iÓm h¬n h¼n, ®Æc biÖt lµ FET cã kÕt cÊu ch¾c ch¾n, kÝch th­íc gän nhÑ, tuæi thä cao, tiªu thô Ýt n¨ng l­îng, hiÖu suÊt cao, Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña chÊn ®éng c¬ häc, ®é Èm, tõ tr­êng vµ gia tèc, kh«ng cÇn nguån ®iÖn ¸p cung cÊp cao. Bªn c¹nh ®ã, nã cßn tån t¹i mét sè nh­îc ®iÓm nh­ c«ng suÊt ra cßn h¹n chÕ, chÊt l­îng æn ®Þnh kh«ng cao, c¸c th«ng sè bÞ thay ®æi theo nhiÖt ®é hay khi chÞu t¸c ®éng cña bøc x¹ v.v…. 10 HiÖn nay, víi kü thuËt s¶n xuÊt transistor cµng ngµy cµng ®­îc hoµn thiÖn nh»m kh¾c phôc mét sè nh­îc ®iÓm cßn h¹n chÕ nh­ t¨ng tÇn sè lµm viÖc, t¨ng c«ng suÊt, t¨ng ®é æn ®Þnh v.v…. 1.3. Ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ m¹ch khuÕch ®¹i vµ c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt. M¹ch khuÕch ®¹i tÝn hiÖu thùc chÊt lµ qu¸ tr×nh biÕn ®æi n¨ng l­îng nh»m lµm t¨ng tr­ëng vÒ mÆt biªn ®é cña tÝn hiÖu (cã thÓ lµ dßng ®iÖn hoÆc ®iÖn ¸p). Do vËy c¸c m¹ch lµm nhiÖm vô khuÕch ®¹i còng cÇn cã mét hay nhiÒu phÇn tö tÝch cùc ®Ó biÕn ®æi n¨ng l­îng. Chóng cã thÓ lµ ®Ìn ®iÖn tö, transistor l­ìng cùc, transistor tr­êng hoÆc lµ linh kiÖn thÕ hÖ míi v.v…, víi môc ®Ých biÕn ®æi n¨ng l­îng tõ nguån cung cÊp thµnh n¨ng l­îng cã Ých ®­a ra t¶i. Sau ®©y sÏ lµ mét sè ®Æc ®iÓm chÝnh cña c¸c lo¹i m¹ch khuÕch ®¹i kh¸c nhau, ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ vµ gi¶i ph¸p kü thuËt nh»m ®¶m b¶o c¸c vÊn ®Ò vÒ chØ tiªu kü thuËt. 1. M¹ch khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá dïng transistor. */ S¬ ®å h×nh 1.2 [9]: M« t¶ mét m¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng BJT. B r b'e' re C b'e' C r o E rb r b'c' C'B' E' C b'c' rc gm Vb'e' H×nh 1.2: M¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng BJT. - S¬ ®å t­¬ng ®­¬ng ®­îc chØ ra ë h×nh 1.3. Vbe r be C C be B E gm Vbe H×nh 1.3: M¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng BJT (lÊy gÇn ®óng). 11 - C¸c tham sè c¬ b¶n cña s¬ ®å: B C FE I Ih ==b (1.1) b b a + == 1E C I I (1.2) kT Iq v ig Ce Veb C m CE == ''d d (1.3) mVEB b eb gv ir BC b d d = ú ú û ù ê ê ë é = -1 '' (1.4) ¥= ú ú û ù ê ê ë é = -1 '' EBVEC b cb v ir d d (1.5) m BIP CB ocb cb V v C C ú û ù ê ë é - = 1 '' '' (1.6) m BIP EB jeo je V v C C ú û ù ê ë é - = 1 (1.7) vµ e Ee D kT IqC t= (1.8) */ S¬ ®å h×nh 1.4 [9]: M« t¶ mét m¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng MOSFET. S' VGS' RDG D'C C be D C D'S' C GD' 1/gD Rs S gm V GS' H×nh 1.4: M¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng MOSFET. 12 */ S¬ ®å h×nh 1.5 [9]: M« t¶ mét m¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng MESFET. S RDG D' Vg'C G'C' D C D'S' Ri C D'G' 1/gD Rs C D'C' S' RG gm Vg' H×nh 1.5: M¹ch t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá dïng MESFET. ViÖc thiÕt kÕ c¸c bé khuÕch ®¹i dïng transistor bao gåm c¸c b­íc sau: - LiÖt kª c¸c chØ tiªu kü thuËt cña bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn ®­îc thiÕt kÕ nh­ c«ng suÊt ra, hiÖu suÊt, tÇn sè. - Lùa chän thiÕt bÞ phï hîp, ®¸p øng ®­îc c¸c chØ tiªu kü thuËt. - §o tham sè [S] cña thiÕt bÞ lùa chän cho chØ tiªu kü thuËt yªu cÇu. - ThiÕt kÕ m¹ng vµo ra cho m¹ch khuÕch ®¹i. S Gf Vs Gs Gt Zt=50 ohm S Zt=50 ohm H×nh 1.6: M¹ch khuÕch ®¹i siªu cao tÇn ®­îc thiÕt kÕ. */ H×nh 1.7 chØ ra m¹ch khuÕch ®¹i dïng transistor GaAs vµ m¹ng kÕt hîp cña nã ®­îc thiÕt kÕ ®¶m b¶o hiÖu suÊt cao nhÊt. GtGf Thiet bi Vs Zt Gs Mang tuong duong dau vao Mang tuong duong dau ra Zs H×nh 1.7a: M¹ch t­¬ng ®­¬ng khuÕch ®¹i siªu cao tÇn. 13 S GtmaxGf S Thiet bi S Vs Zt Gsmax Mang Z vao S Mang Z ra Zo H×nh 1.7b: M¹ch t­¬ng ®­¬ng khuÕch ®¹i hiÖu suÊt cao. Ta lu«n cã tfStfS t t S S tu GGGggg S S S G ++== G- G- G- G- = 2 22 2 2 212 11 2 1 1 1 1 Trong ®ã: 2 11 2 1 1 S S S S g G- G- = , lµ hiÖu suÊt c«ng suÊt t¨ng hoÆc mÊt ®i phô thuéc vµo trë kh¸ng ®Çu vµo gi÷a thiÕt bÞ vµ nguån. 221Sg f = , lµ hiÖu suÊt c«ng suÊt cña thiÕt bÞ cïng víi ®Çu vµo vµ ®Çu ra tËn cïng b»ng t¶i t­¬ng xøng. 2 22 2 1 1 t t t S g G- G- = , lµ ®é lîi c«ng suÊt t¨ng hoÆc gi¶m v× m¹ng phèi hîp trë kh¸ng gi÷a thiÕt bÞ ®Çu ra vµ t¶i. HiÖu suÊt tèi ®a cã thÓ ®¹t ®­îc b»ng c¸ch lùa chän c¸c m¹ng trë kh¸ng phï hîp nh­ lµ *11SS =G , 0=GS , * 22St =G , 0=Gt nh­ h×nh 1.7b. Cã thÓ ®­îc viÕt theo biÓu thøc: maxmaxmaxmax2 22 2 212 11 max 1 1 1 1 tfStfStu GGGggg S S S G ++== -- = [dB] ë ®©y: 2 11 max 1 1 S g S - = ; 221Sg f = ; 2 22 max 1 1 S g t - = Thñ tôc thiÕt kÕ bao gåm c¸c b­íc: - ChØ tiªu kü thuËt cña mét bé khuÕch ®¹i siªu cao tÇn ®­îc thiÕt kÕ nh­ tÇn sè, hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt, c«ng suÊt ra. - Lùa chän thiÕt bÞ sao cho cã chØ tiªu kü thuËt phï hîp. - §o c¸c th«ng sè [S] cña thiÕt bÞ, lùa chän th«ng sè bï. - KiÓm tra ®iÒu kiÖn æn ®Þnh. - VÏ vßng trßn h»ng sè hiÖu suÊt. 14 - TÝnh to¸n gi¸ trÞ d÷ liÖu mét chiÒu. - KiÓm tra kho¶ng sai sè ®èi víi gi¶ thiÕt mét chiÒu. - ThiÕt kÕ m¹ch vµo, ra ®èi víi ®é lîi c«ng suÊt tèi ®a. 2. M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. Trong phÇn néi dung cña ®Ò môc nµy, t¸c gi¶ ®Ò cËp mét c¸ch tæng qu¸t nhÊt vÒ nguyªn t¾c khuÕch ®¹i, ®Æc ®iÓm chung, c¸c chÕ ®é c«ng t¸c, mét sè m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt c¬ b¶n vµ thùc tÕ. Cßn viÖc x©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín cô thÓ sÏ ®­îc tr×nh bµy ë néi dung cña ch­¬ng 3. Tr­íc hÕt cÇn l­u ý r»ng, víi c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, c¸c transistor kh«ng lµm viÖc trong miÒn tuyÕn tÝnh do vËy, khi tÝnh to¸n kh«ng thÓ dïng s¬ ®å t­¬ng ®­¬ng tÝn hiÖu nhá ®Ó xÐt mµ dïng ph­¬ng ph¸p ®å thÞ ®Ó xÐt. Ngoµi ra khi x©y dùng c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao ®ßi hái ph¶i quan t©m h¬n n÷a ®Õn c¸c tham sè cña m¹ch céng h­ëng bªn ngoµi ë d¶i sãng siªu cao tÇn ®Ó ®¸p øng ®­îc yªu cÇu vÒ chØ tiªu kü thuËt ®· ®Ò ra. Trong thùc tÕ, c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao lµm viÖc ë d¶i sãng siªu cao tÇn, khi tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch khuÕch ®¹i ng­êi ta th­êng chän vµ cho nã lµm viÖc ë c¸c chÕ ®é c«ng t¸c A, AB vµ C, nh­ chØ ra trªn h×nh 1.8. H×nh 1.8: §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t vµo, ra cña transistor. a) §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t vµo cña transistor; b) §Æc tuyÕn ra cña transistor. 15 H×nh 1.9: D¹ng dßng ®iÖn ra cña transistor øng víi c¸c chÕ ®é c«ng t¸c kh¸c nhau khi ®iÖn ¸p vµo h×nh sin. - ChÕ ®é c«ng t¸c A tÝn hiÖu ®­îc khuÕch ®¹i gÇn nh­ tuyÕn tÝnh, gãc c¾t q=T/2=1800. Khi tÝn hiÖu vµo h×nh sin th× ë chÕ ®é A dßng tÜnh colector lu«n lu«n lín h¬n biªn ®é dßng ®iÖn ra. V× vËy hiÖu suÊt cña bé khuÕch ®¹i chÕ ®é A rÊt thÊp (<50%). Do ®ã chÕ ®é A chØ ®­îc dïng trong tr­êng hîp c«ng suÊt ra nhá (Pra<1W). - ChÕ ®é c«ng t¸c AB cã gãc c¾t 900<q<1800. ë chÕ ®é nµy cã thÓ ®¹t hiÖu suÊt cao h¬n chÕ ®é A (<70%), v× dßng tÜnh ICO lóc nµy nhá h¬n dßng tÜnh ë chÕ ®é A. §iÓm lµm viÖc n»m trªn ®Æc tuyÕn t¶i gÇn khu vùc t¾t cña transistor. - ChÕ ®é c«ng t¸c C cã gãc c¾t q<900. ë chÕ ®é nµy cã thÓ ®¹t hiÖu suÊt kh¸ cao kho¶ng 78%, nh­ng mÐo rÊt lín. Nã th­êng ®­îc dïng nhiÒu nhÊt trong c¸c bé khuÕch ®¹i tÇn sè cao vµ dïng víi t¶i céng h­ëng ®Ó cã thÓ läc ra ®­îc hµi bËc nhÊt nh­ mong muèn. +/ H×nh 1.10 vµ h×nh 1.11 giíi thiÖu mét sè m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt c¬ b¶n C1 L2 Rb2 C1 L3 Ur Rc L1 Uv VCC T1 C1 C2 Rb1 C L2 D1 D1 Rb C1 C2 L1 Ur Rb Uv VCC T T L2 VCC L1 C Rb C1 C2 T UrUv a) b) c) H×nh 1.10a: M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµm viÖc ë chÕ ®é A. H×nh 1.10b: M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµm viÖc ë chÕ ®é AB. H×nh 1.10c: M¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµm viÖc ë chÕ ®é C. 16 -/ ë h×nh 1.10a (ë chÕ ®é A): - HiÖu suÊt thÊp kho¶ng 25%. - TuyÕn tÝnh cao. - ThÝch hîp víi hÖ thèng b¨ng réng. - ThÝch hîp víi hÖ thèng ®iÖn ¸p thÊp. -/ ë h×nh 1.10b (ë chÕ ®é AB): - HiÖu suÊt cao (50-60)%. - TuyÕn tÝnh cao. - ThÝch hîp víi hÖ thèng b¨ng réng. - CÇn ®iÖn ¸p ho¹t ®éng cao h¬n. -/ ë h×nh 1.10c (ë chÕ ®é C): - HiÖu suÊt cao kho¶ng 78%. - KÐm phi tuyÕn. - ThÝch hîp víi hÖ thèng b¨ng hÑp. - ThÝch hîp víi hÖ thèng ®iÖn ¸p thÊp. +/ H×nh 1.11 lµ s¬ ®å m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt nhá siªu cao tÇn lµm viÖc ë chÕ ®é A ®­îc ®­a ra lµm vÝ dô minh ho¹. Q1 PH0810-35 Rb2 4.7 KR C1 1000 pF C1 1000 pF C1 1522 pF Rb2 6.8 KR C1 330 pF L1 1192 H VCC=3 V L2 330 H Re 100R H×nh 1.11: S¬ ®å nguyªn lý m¹ch khuÕch ®¹i. C¸c ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña m¹ch: - TÇn sè thÝch hîp: 410 Mhz. - B¨ng th«ng: 10.0 Mhz. - §iÖn ¸p thÝch hîp: 3.0V±10%. - C«ng suÊt lín nhÊt ®¹t ®­îc: 19.3 dB. - C«ng suÊt ra lín nhÊt: +8.3 dBm. - Pout ë 1dB nÐn: +2.1 dBm. 17 - Pin ë 1dB nÐn: -16.55 dBm. - TOI møc ®Çu ra (PIP): +9.53dBm. - Trë kh¸ng tèi ­u (Zopt=438.05+j0) ë 410 Mhz. 1.4. Nguyªn t¾c x©y dùng bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao Cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc vµ kü thuËt, c«ng nghÖ chÕ t¹o b¸n dÉn ®· ®­îc hoµn thiÖn h¬n. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®­îc bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè siªu cao th× cÇn ph¶i sö dông mét sè gi¶i ph¸p kü thuËt cô thÓ. §Ó t¨ng c«ng suÊt, yªu cÇu ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn ph¶i lín. Víi c«ng nghÖ chÕ t¹o b¸n dÉn hiÖn nay ®· phÇn nµo gi¶i quyÕt ®­îc nh÷ng m©u thuÉn ®ã cô thÓ lµ ®· chÕ t¹o ra ®­îc nh÷ng transistor cã thÓ ®¸p øng ®­îc c«ng suÊt lªn tíi ngh×n W, tÊt nhiªn míi chØ lµ ë ph¹m vi tÇn sè thÊp. Cßn ë siªu cao tÇn ®ßi hái viÖc kh¾c phôc nh÷ng nh­îc ®iÓm trªn lµ t­¬ng ®èi phøc t¹p, nªn c¸c bé khuÕch ®¹i míi chØ ®¶m b¶o c«ng suÊt ra t­¬ng ®èi nhá. Víi c¸c c«ng tr×nh khoa häc ®· c«ng bè, víi sù ®ãng gãp tÝch cùc vÒ mÆt c«ng nghÖ ®· tõng b­íc ®­îc gi¶i quyÕt m©u thuÉn nµy tuy nhiªn vÉn cßn nhiÒu h¹n chÕ. Cho ®Õn nay c¸c transistor c«ng suÊt lµm viÖc ë d¶i tÇn sè siªu cao (cì tõ vµi ®Õn vµi chôc Ghz), c«ng suÊt míi chØ ®¹t vµi chôc W. §Ó gi¶i quyÕt mét c¸ch triÖt ®Ó nh÷ng khã kh¨n ë trªn, hiÖn nay ng­êi ta ®· vµ ®ang ¸p dông ph­¬ng ph¸p céng c«ng suÊt. Nguyªn t¾c chung cña céng c«ng suÊt lµ x©y dùng nhiÒu modul khuÕch ®¹i cã c«ng suÊt kh«ng lín vµ gièng hÖt nhau, víi viÖc sö dông c¸c bé chia c«ng suÊt (ë ®Çu vµo) vµ céng c«ng suÊt (ë ®Çu ra) ®Ó c«ng suÊt ra trªn t¶i lµ lín theo yªu cÇu vÒ chØ tiªu ®· ®Ò ra. Tuy nhiªn trong thùc tÕ khi ¸p dông mét trong c¸c ph­¬ng ph¸p céng c«ng suÊt ®· gÆp ph¶i kh«ng Ýt nh÷ng khã kh¨n vÒ kü thuËt. §Ó ®¸p øng ®­îc mét trong c¸c ph­¬ng ph¸p nµy chóng ta cÇn ph¶i gi¶i quyÕt ®­îc 2 vÊn ®Ò c¬ b¶n: 1. ViÖc céng c«ng suÊt c¸c dao ®éng cao tÇn lu«n lu«n ph¶i ®¶m b¶o t­¬ng quan vÒ pha gi÷a c¸c modul khuÕch ®¹i mét c¸ch chÝnh x¸c th× míi hiÖu qu¶. 2. CÇn ph¶i ®¶m b¶o ®é c¸ch ly (sù ¶nh h­ëng lÉn nhau) gi÷a c¸c modul khuÕch ®¹i ë møc cao nhÊt, nÕu kh«ng sÏ g©y ra nh÷ng ¶nh h­ëng xÊu tíi c«ng suÊt ra vµ sù lµm viÖc cña c¸c modul thµnh phÇn. 18 Víi sù tiÕn bé vµ ph¸t triÓn v­ît bËc cña c«ng nghÖ hiÖn nay th× viÖc ¸p dông ph­¬ng ph¸p céng c«ng suÊt ngµy cµng ®­îc øng dông nhiÒu trong thùc tÕ, v× nã ®· gi¶i quyÕt ®­îc nh÷ng khã kh¨n rÊt lín vÒ c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn b¸n dÉn vµ viÖc x©y dùng c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. VÊn ®Ò nµy sÏ lµ mét trong nh÷ng néi dung träng t©m cña luËn ¸n vµ sÏ cßn ®­îc tiÕp tôc nghiªn cøu trong c¸c ch­¬ng sau. 1.5. TÝnh khoa häc vµ tÝnh thùc tiÔn cña vÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu. §Ò tµi “Nghiªn cøu vµ x©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n, thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt siªu cao tÇn c«ng suÊt lín dïng ®Ìn b¸n dÉn” lµ mét trong nh÷ng ®Ò tµi mang tÝnh khoa häc vµ thùc tiÔn cao. Néi dung chÝnh cña ®Ò tµi lµ ®­a ra nh÷ng gi¶i ph¸p tèi ­u vÒ mÆt kü thuËt nh»m phôc vô cho viÖc x©y dùng vµ tÝnh to¸n, thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao. HÇu hÕt tÊt c¶ c¸c m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín tr­íc ®©y ®­îc dïng ®Òu sö dông c¸c ®Ìn ®iÖn tö lµm phÇn tö khuÕch ®¹i. Thùc tÕ, sau mét thêi gian ®­a vµo sö dông ng­êi ta ®· nhËn thÊy ë ®Ìn ®iÖn tö cßn cã nhiÒu h¹n chÕ nh­ ®· ph©n tÝch ë trªn. Do sù ph¸t triÓn v­ît bËc vÒ khoa häc vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o b¸n dÉn, ë nhiÒu n­íc trªn thÕ giíi hiÖn nay ®· vµ ®ang kiÓm nghiÖm ®Ó ®­a ra nh÷ng ph­¬ng ¸n, gi¶i ph¸p tèi ­u ®Ó thay thÕ ®Ìn ®iÖn tö b»ng ®Ìn b¸n dÉn. Tuy nhiªn trong thùc tÕ, khi sö dông ®Ìn b¸n dÉn còng ®· gÆp ph¶i kh«ng Ýt nh÷ng khã kh¨n cô thÓ v× chØ tiªu c«ng suÊt ra lín, tÇn sè lµm viÖc cao lµ hai mÆt ®èi lËp vµ m©u thuÉn nhau. ë n­íc ta hiÖn nay viÖc nghiªn cøu, chÕ thö c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt siªu cao tÇn còng ®­îc ®Æt ra víi c¸c ViÖn khoa häc, ViÖn nghiªn cøu, Trung t©m thö nghiÖm c«ng nghÖ cao. Vµ ë chÝnh nh÷ng n¬i ®©y ®­a ra nh÷ng gi¶i ph¸p ®· vµ ®ang ®­îc øng dông vµo trong thùc tiÔn vµ mang l¹i nh÷ng kÕt qu¶ kh¶ quan. §Ó gãp phÇn vµo viÖc thóc ®Èy, hoµn thiÖn c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ®· vµ ®ang ®­îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc nh­: Qu©n sù, An ninh, Th­¬ng m¹i v.v…. Trªn c¬ së nh÷ng lý luËn ®· nªu, ®Ò tµi sÏ tiÕp tôc ®i s©u vµo viÖc nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ c¸c modul khuÕch ®¹i c«ng suÊt ®Ó x©y dùng c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín lµm viÖc ë d¶i siªu cao phôc vô cho c¸c thiÕt bÞ ®iÖn vµ ®iÖn tö hiÖn ®¹i. 19 KÕt luËn ch­¬ng 1 Qua nghiªn cøu c¸c c¬ së lý luËn nh­ ®· ®­îc tr×nh bµy ë trªn, t¸c gi¶ nhËn thÊy, viÖc x©y dùng c¸c modul khuÕch ®¹i c«ng suÊt, c¸c bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, lµm viÖc ë d¶i siªu cao tÇn víi b¨ng tÇn réng chØ cã thÓ thùc hiÖn ®­îc, nÕu nh­ chóng ta kÕt hîp mét c¸ch triÖt ®Ó vµ hµi hoµ hai yÕu tè: 1. Linh kiÖn thÕ hÖ míi ph¶i ®¸p øng ®­îc vÒ mÆt c«ng suÊt còng nh­ d¶i tÇn sè c«ng t¸c, mÆc dï ®©y lµ mét trong nh÷ng m©u thuÉn trong c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn ®iÖn tö thÕ hÖ míi. Tuy nhiªn trong giai ®o¹n hiÖn nay, c«ng nghÖ chÕ t¹o linh kiÖn míi, ®· phÇn nµo ®¸p øng ®­îc vÒ mÆt c«ng suÊt vµ tÇn sè. 2. ¸p dông ph­¬ng ph¸p céng c«ng suÊt c¸c dao ®éng cao tÇn, lµ mét trong nh÷ng gi¶i ph¸p tèi ­u vµ cã tÝnh kh¶ thi. Tuy nhiªn viÖc thùc hiÖn céng c«ng suÊt còng lµm n¶y sinh nhiÒu vÊn ®Ò cÇn gi¶i quyÕt. V× vËy, néi dung nghiªn cøu cña ch­¬ng hai sÏ ®Ò cËp tíi c¸c ph­¬ng ¸n vµ gi¶i ph¸p x©y dùng bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín, tÇn sè cao.