การออกแบบวงจรขยายสัญญาณความถี่ 2.45 GHz โดยใช้ทรานซิสเตอร์(ตอนที่ 1)
ประพล จาระตะคุ* ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. ชาญชัย ทองโสภา
*Email: prapol@sut.ac.th
การออกแบบวงจรขยายสัญญาณขนาดเล็กนั้น การใช้พารามิเตอร์กระจัดกระจาย(Scattering Parameter) ก็เพียงพอสำหรับการออกแบบแล้ว หลังจากเราเลือกทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสมโดยพิจารณาข้อกำหนดแล้วนั้น ควรพิจารณาวงจรขยายช่วงเดียว หากได้อัตราขยายที่เพียงพอควรเลือกรูปแบบการจัดวงจร ในลักษณะที่ทำให้มีการบังคับการไหลของกระแสที่ทำให้กับทรานซิสเตอร์ โดยปกติเราจะวางสตับแบบลัดวงจรไว้ใกล้ ๆ กับทรานซิสเตอร์เพื่อให้เกิด การบังคับทิศทางการไหลของกระแสตรง
การออกแบบสายส่งสัญญาณจะต้องพิจารณาข้อมูลดังนี้
- อัตราขยายและความคงที่ของอัตราการขยาย (gain and gain flatness)
- ความกว้างแถบและความถี่กลาง
- ตัวเลขสัญญาณรบกวน
- กำลังด้านออกที่เป็นเชิงเส้น (linear output power)
- สัมประสิทธิ์การสะท้อนด้านเข้า
- สัมประสิทธิ์การสะท้อนด้านออก
- แรงดันและกระแสที่ใช้บังคับทิศทางการไหลของกระแส (bias voltage and current)
การออกแบบวงจรขยายสัญญาณโดยใช้ทรานซิสเตอร์มีข้อกำหนดเบื้องต้นดังนี้
- ออกแบบโดยใช้หลักการของวงจรโครงข่ายสองทางเข้าออก
- สร้างชิ้นงานส่วนวงจรขยายสัญญาณที่ความถี่ 2.45 GHz โดยใช้แผ่นวงจรพิมพ์สำหรับงานไมโครเวฟ รุ่น RO4003C™ ของบริษัท Roger Corporation มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก เท่ากับ 3.38 และมีความหนาของไดอิเล็กตริกเท่ากับ 8 มิล (Mil) หรือ 0.203 มิลลิเมตร
- สร้างวงจรแมตช์ทางด้านอินพุตและทางด้านเอาต์พุตด้วยโครงสร้างสายนำสัญญาณแบบไมโครสตริป ออกแบบใช้กับค่าอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของระบบ เท่ากับ 50 โอห์ม
ค่าพารามิเตอร์ที่ได้จากการออกแบบวงจรขยายสัญญาณจากการคำนวณ มีดังนี้คือ
- เสถียรภาพของวงจร (Stability Factor : K ) ซึ่งจะต้องมีค่า K>1 เสมอเพื่อไม่ให้วงจรเกิดการออสซิลเลต และเป็นค่าตัวแปรหนึ่งซึ่งใช้ในการออกแบบวงจรขยายที่ต้องการให้วงจรมีเสถียรภาพแบบไม่มีเงื่อนไขแสดงผลการจำลองเปรียบเทียบก่อนการแมตช์ และหลังจากการแมตช์ วงจรด้วยโครงสร้างสายนำสัญญาณไมโครสตริป ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยสมการ
- ค่าเดลต้า (delta factor : Δ) เป็นผลจากการคำนวณหาค่าเสถียรภาพของวงจรซึ่งจะต้องมีค่า ΙΔΙ<1 เสมอเพื่อไม่ให้เกิดการออสซิลเลตและเป็นค่าตัวแปรหนึ่งที่ใช้ในการออกแบบวงจรขยายสัญญาณที่ต้องการวงจรมีเสถียรภาพแบบไม่มีเงื่อนไข
การออกแบบวงจรขยายสองทิศทางโดยสายส่งสัญญาณ (transmission line) ใช้ ไมโครสตริป ออกแบบสร้างบนแผ่นวงจรพิมพ์สำหรับความถี่สูง RO4003C™ ซึ่งพารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับใช้ในการออกแบบได้แก่ ความถี่ปฏิบัติงานของสายอากาศ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของซับสเตรท (εr ) ความสูงของไดอิเล็กตริกซับสเตรท h เป็นต้น
ค่าอิมพีแดนซ์คุณลักษณะ (characteristic impedance : Zο ) ของวงจรแมตช์ทางด้านอินพุตและเอาต์พุตของโครงสร้างสายนำสัญญาณไมโครสตริป ซึ่งพารามิเตอร์นี้มีความสัมพันธ์กับความกว้างของสตริป และความหนาของไดอิเล็กตริก จากการคำนวณจากสมการ
การออกแบบวงจรไบแอสสำหรับวงจรขยายสัญญาณ มีจุดประสงค์คือ เพื่อไบแอสกระแสตรงให้กับทรานซิสเตอร์ ให้มีการทำงานในบริเวณแอกทีฟ เพื่อให้ได้ค่าพารามิเตอร์กระจัดกระจายตรงกับค่าที่ได้ออกแบบไว้และเพื่อป้องกันสัญญาณความถี่สูงเข้าไปรบกวนวงจรไบแอสที่จ่ายให้กับวงจรขยาย ทำความเสียหายให้แก่เครื่องมือวัด
ตัวอย่างการออกแบบวงจรขยายสัญญาณ
ต้องการออกแบบวงจรขยาย ที่ความถี่ 2.4 GHz. โดยใช้ทรานซิสเตอร์เบอร์ AT 41511 โดยมีค่าพารามิเตอร์กระจัดกระจาย จุดไบอัสเชิงเส้น 
ดังนี้
S11 = -0.3986 + j0.249
S12 = 0.0813 + j0.0841
S21 = 1.5022 + j1.79
S22 = 0.2643 – j0.3264
จากนั้นเรามาตรวจดูว่า ที่ความถี่ 2.4 GHz จะอยู่ในเงื่อนไขใด ซึ่งการหาค่าเสถียรภาพของวงจรจากค่าพารามิเตอร์กระจัดกระจายสามารถพิจารณาจากค่า K-Factor
หาค่า K จาก
เมื่อ
จะได้
ดังนั้น
K = 1.1127
เนื่องจาก ค่า K >1 และ 
จึงทำให้ ทรานซิสเตอร์เป็น Unconditionally stable จากนั้นทำการคำนวณค่า Unilateral figure of merit (U )
จากสมการ
จะได้
U = 0.0814
เพื่อพิสูจน์ว่า U เป็น Unilateral หรือไม่ โดยนำค่า U แทนในอสมการ
จะได้
หรือ
จากอสมการด้านบน ค่าด้านซ้ายและด้านขวาของอสมการมีค่าไม่เท่ากัน แสดงให้เห็นว่า ไม่เป็น unilateral ทำให้ 
มีผลต่อการคำนวณ
จากนั้น ทำการหาค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน สำหรับ simultaneous conjugate match โดยคำนวณหาจากสมการ ของ 
และ 
ซึ่งสามารถหาค่าได้ดังนี้
โดยสามารถคำนวณค่า B1 ได้จากสมการ
จะได้
คำนวณค่า C1 ได้จากสมการ
จะได้
นำค่า B1 และ C1 แทนในสมการ
จะได้
คำนวณค่า B2 จากสมการ
จะได้
B2=0.95
คำนวณค่า C2 จากสมการ
จะได้
C2=0.285-j0.356
นำค่า B2 และ C2 แทนในสมการ
จะได้
จากนั้นคำนวณค่า maximum transducer power gain จากสมการ
จะได้
หรือ
________________________________________________
Refference :Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko., RF circuit design : theory and applications, Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall :463-527
Balanis, C. A. (1997). Antenna Theory: Analysis and Design. John Wiley & Sons,Inc.
Devendra K.Misra. Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits Analysis and Design. John Wiley & Sons,Inc.
