การออกแบบวงจรขยายสัญญาณความถี่ 2.45 GHz โดยใช้ทรานซิสเตอร์(ตอนที่ 1)(14,814 views)

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

1. อัตราขยายและความคงที่ของอัตราการขยาย (gain and gain flatness)
2. ความกว้างแถบและความถี่กลาง
3. ตัวเลขสัญญาณรบกวน
4. กำลังด้านออกที่เป็นเชิงเส้น (linear output power)
5. สัมประสิทธิ์การสะท้อนด้านเข้า
6. สัมประสิทธิ์การสะท้อนด้านออก
7. 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

C1=-0.4246+j0.2676

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

________________________________________________

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.