Ổn định của Bộ khuếch đại ở Tần số Cao và Dung lượng Dư thừa

Các bộ khuếch đại là một trong những linh kiện quan trọng giúp cuộc sống hiện đại trở nên khả thi. Từ giao tiếp không dây đến điện tử công suất, các bộ khuếch đại cần hoạt động ổn định và dự đoán được để những sản phẩm này hoạt động đúng cách. Phân tích ổn định là một trong những chủ đề yêu thích của tôi trong vật lý và kỹ thuật, và nó luôn xuất hiện ở những nơi bạn ít mong đợi nhất. Một trong những nơi đó là trong các bộ khuếch đại.

Mọi hệ thống vật lý phụ thuộc vào thời gian với phản hồi và khuếch đại đều có điều kiện mà tại đó hệ thống sẽ đạt được hành vi ổn định. Ổn định bộ khuếch đại mở rộng những khái niệm này đến các bộ khuếch đại, nơi mà đầu ra của hệ thống có thể tăng lên đến trạng thái bão hòa không mong muốn do phản hồi không mong muốn. Nếu bạn sử dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng đúng đắn, bạn có thể dễ dàng tính toán cho sự không ổn định tiềm ẩn trong mô hình mạch của bạn trước khi bạn tạo bố cục của mình.

Cách Điện Dung Lạc Đường Ảnh Hưởng Đến Ổn Định Bộ Khuếch Đại RF

Nguyên nhân của sự không ổn định trong mạch khuếch đại, và giữa các cổng vào và ra của một IC khuếch đại, là điện dung lạc đường. Điện dung lạc đường tồn tại giữa các đường dẫn kết nối đến một bộ khuếch đại. Điện dung lạc đường rất quan trọng trong việc thiết lập trở kháng của các đường dẫn dài (tức là, đường truyền) ở một giá trị cụ thể. Tuy nhiên, điện dung lạc đường cũng cung cấp một con đường không mong muốn cho phản hồi giữa cổng ra và cổng vào.

Do đường dẫn phản hồi này có tính chất điện dung, trở kháng của nó thấp hơn khi tần số tín hiệu vào/ra cao hơn. Ngày nay, vấn đề này thường được giải quyết ở cấp độ chip, nhưng sự đóng góp từ các đường mạch và pad trên PCB sẽ trở nên quan trọng hơn khi nhiều bộ khuếch đại RF hoạt động ở các tần số cao hơn. Chỉ cần vài pF dung lượng nhiễu có thể đủ để khiến một bộ khuếch đại không ổn định trong quá trình hoạt động.

Tại cấp độ bảng mạch, dung lượng lạc đường ở đầu vào có tác dụng giới hạn băng thông, nơi mà băng thông được giảm bởi một yếu tố (1 + Gain). Giải pháp là thiết kế các đường mạch và pad tại cổng khuếch đại để có dung lượng nhiễu tối thiểu, hoặc thêm một số dung lượng bù vào vòng phản hồi. Trong phạm vi GHz cao (ví dụ, tần số mmWave), khoảng cách giữa các thành phần lớn hơn chiều dài quan trọng, vì vậy bạn sẽ phải sử dụng định tuyến kiểm soát trở kháng. Việc tích hợp một số thành phần vào SoCs đang giúp loại bỏ vấn đề này, nhưng nhiều bộ khuếch đại RF cho các thiết bị sắp tới vẫn được đóng gói như các thành phần riêng lẻ. Một ví dụ điển hình là các bộ khuếch đại công suất mới cho ứng dụng mmWave.

Cách thông thường để đánh giá sự ổn định của bộ khuếch đại là sử dụng bảng đánh giá của nhà sản xuất và đo lường bất kỳ hành vi biến động nào một cách trực tiếp. Lựa chọn khác là xác định dung lượng nhiễu xạ trên các đường dẫn vào và ra kết nối với bộ khuếch đại và bao gồm những cái này trong một mô phỏng. Những mô phỏng này cũng cho phép bạn thử nghiệm với một tụ điện bù trên vòng lặp phản hồi của bộ khuếch đại để chống lại dung lượng nhiễu xạ.

Cách Tính toán Dung Lượng Nhiễu Xạ trong Mô Phỏng

Sơ đồ của bạn chỉ là một bản vẽ 2D của một mạch hoàn hảo. Nó không chứa bất kỳ yếu tố dung lượng nhiễu xạ nào ở bất cứ nơi nào trong hệ thống của bạn và không phản ánh chính xác hành vi thực tế của một PCB. Tuy nhiên, những công cụ thiết kế phù hợp sẽ giúp việc bao gồm các yếu tố nhiễu xạ vào PCB của bạn trở nên dễ dàng. Cho dù bạn đang cố gắng mô phỏng tự cộng hưởng trong các linh kiện bị động, hoặc bạn muốn mô phỏng dung lượng nhiễu xạ ở các phần khác của hệ thống, bạn sẽ cần thêm tụ điện vào sơ đồ của mình ở các vị trí chiến lược.

Để mô phỏng dung lượng lạc đường tại đầu vào của một bộ khuếch đại, chỉ cần thêm các tụ điện có kích thước phù hợp và một nguồn AC vào đầu vào của bộ khuếch đại. Các tụ điện được đặt như các phần tử shunt (nghĩa là, được kết nối với mối nối đất chung) trên đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Bạn cũng cần sử dụng một mô hình linh kiện đã được xác minh cho linh kiện bộ khuếch đại của mình để cảm nhận được hành vi của bộ khuếch đại trong sự hiện diện của dung lượng lạc đường. Các phần tử dung lượng shunt sẽ mô hình hóa sự ghép nối giữa đất và các đường dẫn đầu vào/đầu ra trên bảng mạch của bạn.

Bạn có thể thực hiện hai loại mô phỏng: phân tích chuyển tiếp và phân tích cực-không.

Kết quả Phân tích Chuyển tiếp Mong đợi

Với phân tích chuyển tiếp, bạn có thể xem liệu tín hiệu có trở nên không ổn định và tăng lên đến bão hòa theo thời gian khi bộ khuếch đại hoạt động không. Đồ thị dưới đây cho thấy một số kết quả ví dụ cho tín hiệu 100 GHz với sự không ổn định mạnh do dung lượng lạc đường lớn. Tại đây, điện áp chuyển tiếp tại đầu ra đạt giá trị bão hòa 2 V do phản hồi không mong muốn mạnh và mức tín hiệu đầu vào cao.

Lưu ý rằng sự mất mát không được xem xét trong ví dụ phản hồi ở trên, và được biết rằng sự mất mát trong lớp nền có thể khiến một thiết bị không ổn định trở nên ổn định vì điều này bù đắp cho sự tăng cường trong vòng lặp phản hồi không mong muốn.

Kết quả Phân tích Cực- không điểm Dự kiến

Trong kết quả phân tích cực-không điểm, bạn sẽ mong đợi thấy hai cực trong đầu ra mô phỏng. Một sẽ là một cực ổn định, đại diện cho vòng lặp phản hồi ổn định. Giá trị riêng cho cực này sẽ có phần thực âm. Nếu mạch không ổn định, một cực khác sẽ xuất hiện như một giá trị riêng thứ hai với phần thực dương; điều này tương ứng với dao động tăng không ổn định do phản hồi qua dung kháng nhiễm. Bạn có thể thấy một số ví dụ về kết quả phân tích cực-không điểm trên trang này.

Có một loại ổn định khác tương ứng với dao động ổn định giảm dần, còn được biết đến như một chu kỳ giới hạn. Dao động tạm thời giảm này có thể dẫn đến hành vi dao động ổn định, tương tự như những gì được thấy trong các bộ khuếch đại được sử dụng trong cấu hình phân biệt mà không có điện trở nối tiếp trên đầu vào. Bạn có thể xác định hành vi này từ kết quả phân tích cực-không điểm bằng cách so sánh hằng số giảm (phần thực của một giá trị riêng) với tần số dao động tạm thời.

Các tính năng thiết kế và mô phỏng PCB tiên tiến trong Altium Designer® cho phép bạn thực hiện nhiều loại mô phỏng tương tự cho hệ thống RF và mạch khuếch đại tiếp theo của bạn. Bạn sẽ có một số công cụ để đánh giá sự ổn định của khuếch đại như một phần của thiết kế và phân tích mạch. Khi bạn sẵn sàng lên kế hoạch cho bố cục của mình, bạn sẽ có một bộ công cụ để ghi lại sơ đồ của mình và bắt đầu tạo ra các bố cục chất lượng cao.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố cục, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.