1 Kết hợp song song

chúng để cải thiện sự tuyến tính. Chúng ta giả thiết rằng những đặc tính này

giữ lại tại tất cả các tần số mặc dù điều đó có thể rất khó giải quyết.

3.1.1 Mạch sai động 900



Hình 3.1 Mạch sai động 900

Hình này cho thấy đặc tuyến truyền đạt lý tưởng của một mạch sai

động 900. Thêm vào đó, có cả một thời gian trễ mà tạo ra cùng độ dịch pha

trong mỗi phần tử mà không thay đổi sự lý tưởng của mạch sai động. Công

suất của một tín hiệu đi vào một cổng bị chia thành 2 phần bằng nhau, mỗi

phần đến 2 cổng đối diện, tất cả các cổng có cùng trở kháng. Thực tế, sẽ có

sự tổn hao trong các mạch sai động và sự dịch pha không mong muốn,

nhưng chúng ta sẽ nghiên cứu trường hợp lý tưởng để hiểu đặc tính chung

của những mạch sử dụng mạch sai động 900.

a. Kết hợp các bộ khuếch đại



Hình 3.2 Kết hợp các bộ khuếch đại sử dụng mạch sai động 900

Một công dụng tiêu biểu của mạch sai động 90 0 được biểu diễn trong

hình 3.2, hình vẽ thể hiện một module phối hợp công suất từ 2 bộ khuếch

đại. Bộ khuếch đại trên nhận được tín hiệu giống như bộ khuếch đại dưới,

nhưng bị trễ 900. Khi các tín hiệu được kết hợp lại, đầu ra của bộ khuếch

59



đại dưới bị giữ trễ 900 khi tới đầu ra phức hợp nên nếu các bộ khuếch đại là

xác định, 2 tín hiệu đầu ra kết hợp về pha ở đầu ra module. Do đó, công

suất của 2 bộ khuếch đại được cộng vào. Đây là một đặc điểm có lợi khi

một bộ khuếch đại không có đủ dung lượng công suất. Nguyên lý có thể

được lặp lại khi công suất cộng tăng thêm .

Kết cuối ra nhận tín hiệu đã qua bộ khuếch đại công suất bên dưới

cộng với tín hiệu từ bộ khuếch đại bên trên, các tín hiệu này có thể giống

nhau nhưng bị dịch một lượng tổng là 180 0. Một cách lý tưởng chúng bị

khử, nhưng kết cuối tiêu tán bất kỳ công suất nào tạo ra từ sự khác biệt

trong 2 tín hiệu do các mạch sai động không lý tưởng hoặc các bộ khuếch

đại không phối hợp.

Tồn tại một số biến đổi về chia công suất dọc theo băng thông của bộ

sai động. Do đó, đầu ra 00 có thể vượt quá đầu ra -900 ở một số tần số và

ngược lại. Trong hình 2.2, không may là một đường tín hiệu nhận 2 dịch

pha 00 từ bộ sai động, và đường còn lại nhận dịch pha -90 0, có xu hướng

làm tăng những sai lệch so với lý tưởng. Nếu một đảo dấu có thể thu được

ở một trong các bộ khuếch đại, cổng ra có thể tráo đổi với cổng kết cuối ra.

Nếu có thể thực hiện được điều này mà không giảm sự phối hợp giữa các

bộ khuếch đại, thì việc này sẽ có lợi trong việc cải thiện sự phối hợp giữa 2

đường tín hiệu vì có thể có một dịch pha 0 0 và một dịch pha 900 trong mỗi

đường.

b. Phối hợp trở kháng

Nếu bậc của bộ khuếch đại là xác định, các hệ số phản xạ ở đầu vào

của chúng là xác định. Vì tín hiệu vào bộ khuếch đại trên trễ so với tầng

dưới là 900, phản xạ của nó cũng sẽ trễ so với phản xạ tầng dưới là 90 0.

Phản xạ của tầng trên gặp một phản xạ -90 0 khác đi qua bộ sai động trở lại

đầu vào module, nên, ở đầu vào, là một tổng lệch pha 180 0 so với phản xạ

từ bộ khuếch đại tầng dưới. Do đó, các phản xạ triệt ở đầu vào module.

60



Bám theo pha của phản xạ đi vào kết cuối vào theo cách như vậy, ở đó

chúng ta thấy rằng 2 phản xạ là cùng pha, vì vậy tất cả công suất được phản

xạ bị phân tán trong kết cuối vào. Do đó, 2 bộ khuếch đại phối hợp kém với

nhau có thể kết hợp để tạo ra một module khuếch đại phối hợp tốt nếu mỗi

bộ khuếch đại là giống nhau.

Cổng ra được phối hợp tốt với lý do giống như vậy. Điều này là đặc

biệt quan trọng nếu bộ khuếch đại 1 và 2 không phối hợp tốt với trở kháng

chuẩn R0. Chúng có thể chỉ là các thiết bị tích cực với trở kháng ra cao.

Chừng nào trở kháng ra là như nhau, một tín hiệu được gửi đến đầu ra sẽ

kết thúc ở kết cuối ra và không bị phản xạ. Kể cả nếu trở kháng của chúng

khác nhau rất nhiều, nếu chúng đều lớn hơn R0 rất nhiều, chúng sẽ tạo ra

các phản xạ gần giống nhau mà sẽ triệt tiêu tại đầu ra module.

c. Các hài và sự điều chế tương hỗ

Nếu các hài bậc hai và ba được tạo ra trong bộ khuếch đại 2, đầu ra

của nó có thể được biểu diễn là :

V02 = V1cosϕ (t) + V2cos[2ϕ (t)] + V3cos[3ϕ (t)]



(3.1)

Tương tự, đầu ra từ khuếch đại 1 sẽ là :

V01 = V1cos[ϕ (t) - 900 ] + V2 cos2[ϕ (t) - 900 ] + V3cos3[ϕ (t) - 900 ]

= V1cos[ϕ (t) - 90 0 ] + V2 cos[2ϕ (t) - 180 0 ] + V3cos[3ϕ (t) - 2700 ]



(3.2)



Đầu ra V02 bị trễ 900 khác, tạo ra :

V02 d = V1cos[ϕ (t) - 900 ] + V2 cos[2ϕ (t) - 900 ] + V3cos3[3ϕ (t) - 900 ]



(3.3)



Trước khi cộng với V01 ở đầu ra, điện áp tổng là :

V0T = (V01 + V02 d )



2



= 2 V1cos[ϕ t - 900 ]+V2 cos[2ϕ t - 1350 ]



(3.4)



Các tín hiệu cơ bản đã được thêm vào, tạo ra công suất gấp đôi một

tín hiệu cơ bản đơn. Các tần số hài bậc hai được cộng vuông góc tạo ra sự



61



suy giảm 3dB so với tín hiệu cơ bản. Các hài bậc ba đã bị triệt tiêu. Một

cách lý tưởng, bộ khuếch đại này không có hài bậc ba. Tất cả được gửi tới

đầu ra.

Dễ dàng chỉ ra rằng IM bậc 2 biểu hiện giống như hài bậc hai. Khi

các tín hiệu cơ bản được cộng, các IM trong V01 chứa 1800; khi chúng trừ

đi, chúng chứa 00. Trong cả 2 trường hợp, chúng đều vuông pha với các IM

trong V02 , do đó, tỉ lệ của các IM bậc 2 so với tín hiệu cơ bản là 3dB ở đầu

ra của module thấp hơn so với tại từng bộ khuếch đại riêng.

Nhiễu xuyên điều chế bậc ba gần các hài bậc ba (f và g trong hình

2.6) tạo ra từ phép cộng tần số và cũng chứa 3x90 0 mà hài bậc ba có. Kết

quả là chúng bị triệt đi cùng với nhiễu. Quan trọng hơn là các IM bậc ba (c

và d trong hình 2.6) là những IM gần tín hiệu, tuy nhiên biểu hiện giống

như tín hiệu. Vì tần số của chúng là sự sai khác giữa tín hiệu cơ bản và hài

bậc hai của tín hiệu cơ bản kia, pha của chúng đều chứa -90 0 mà các tín

hiệu cơ bản có, vì vậy, các IM từ hai bộ khuếch đại này cộng vào kết hợp.

d. Kết luận

Các bộ sai động 900 có thể được sử dụng để cộng các công suất của 2

bộ khuếch đại giống nhau. Một cách lý tưởng, các cổng đầu vào và đầu ra

của các bộ khuếch đại phức hợp sẽ không bị phản xạ. Các biên độ tương

ứng với các tín hiệu của các hài bậc hai và các IM sẽ bị suy giảm 3dB so

với giá trị của chúng ở các bộ khuếch đại riêng lẻ. Các hài bậc ba và xung

quanh các IM bậc ba sẽ bị khử trong khi các IM bậc ba gần tín hiệu sẽ

không bị giảm.

3.1.2 Mạch sai động 1800

Hình 3.3 cho thấy đặc tuyến truyền đạt lý tưởng của 1 mạch sai động

1800. Trễ cộng và suy hao sẽ có trong các mạch sai động thực tế, như đã

lưu ý với mạch sai động 900. Công suất của tín hiệu đi vào một cổng bị chia



62



ra thành 2 phần bằng nhau, các phần đến 2 cổng đối nhau, tất cả các cỏng

có cùng mức trở kháng. Các thiết bị này có đặc trưng băng rất rộng, đôi khi

phủ tới 2 hoặc 3 decade.

a. Kết hợp các bộ khuếch đại

Các bộ sai động 1800 có thể được sử dụng để kết hợp các bộ khuếch

đại giống nhau, như biểu diễn trong hình 3.3. Đầu vào tới bộ khuếch đại

trên bị giữ chậm 1800 nghịch đảo tương ứng với đầu kia. Một sự hoạt động

tương tự ở đầu ra kết hợp lại các tín hiệu với pha trên tải, và bất kỳ tín hiệu

nào xuất hiện ở kết cuối ra là do sự không cân bằng.



Hình 3.3 Mạch sai động 1800



Hình 3.4 Kết hợp các bộ khuếch đại sử dụng mạch sai động 1800

b. Phối hợp trở kháng

Sự phản xạ từ các đầu vào hay các đầu ra của các bộ khuếch đại

riêng lẻ cộng tại đầu ra hay đầu vào module, tạo ra trễ toàn phần 00 hoặc

3600 vì thế không có sự cải thiện nào trong việc phối hợp trở kháng.

c. Các nhiễu và xuyên điều chế

Nếu đầu ra của khuếch đại 2 là :

V02 = V1cosϕ (t) + V2 cos[2ϕ (t)] + V3cos[3ϕ (t)]



(3.5)



63



Đầu ra của khuếch đại 1 sẽ là :

V01 = V1cos[ϕ (t) - 1800 ] + V2 cos2[ϕ (t) - 1800 ] + V3cos3[ϕ (t) - 1800 ]

= V1cos[ϕ (t) - 1800 ] + V2 cos[2ϕ (t) - 360 0 ] + V3cos[3ϕ (t) - 5400 ]



(3.6)



Đầu ra V02 bị trễ thêm 1800, tạo ra

V02 d = V1cos[ϕ (t) - 1800 ] + V2cos[2ϕ (t) - 180 0 ] + V3cos3[ϕ (t) - 1800 ]



(3.7)



Trước khi cộng V01 ở đầu ra. Điện áp tổng là :

V0T = (V01 + V02 d )



2



= 2 {V1cos[ϕ t - 180 0 ] + V3cos[2ϕ t - 1800 ]}



(3.8)



Các tín hiệu cơ sở đã cộng, tạo ra công suất gấp 2 lần từng tín hiệu.

Các công suất của các hài bậc lẻ cũng cộng tại đầu ra. Các hài bậc chẵn

triệt tiêu ở đầu ra, tất cả công suất của chúng đi tới đầu ra.

Các IM sẽ có cùng pha giống như các hài của cùng các bậc hoặc sai

khác một bội số của 3600 . Do đó, các IM có cùng số phận như các hài cùng

bậc. Chúng tôi chỉ ra như sau. Một IM bậc n có thể có tần số [(n − q) f1 +qf 2 ]

, với n và q là các số nguyên dương. Độ dịch pha tổng sẽ là n lần độ dịch

pha của tín hiệu cơ sở, θ . Trường hợp khi q = n hoặc khi q = 0 là một hài.

Các trường hợp khác có cùng độ dịch pha, (n − q)θ +qθ = nθ . Các IM tần số

khác có tần số (n − q) f1 − q. f 2 và độ dịch pha (n − q )θ − qθ = (n − 2q )θ . Đây là

một thay đổi q × 2θ so với pha của hài, nhưng với θ = −1800 , sự thay đổi

tương ứng với một bội số 2θ là không hiệu quả.

d. Kết luận

Một bộ khuếch đại phối hợp sử dụng các bộ sai động 180 0 ở đầu vào

và đầu ra thì một cách lý tưởng là không có các hài bậc chẵn hay IM. Tất cả

chúng bị triệt ở tải đầu ra. Các hài bậc lẻ và các IM không bị triệt, cũng như

sự phối hợp đầu vào và ra cũng không được cải thiện so với từng mạch

khuếch đại riêng lẻ.



64



3.1.3 Đẩy kéo đơn giản

Một bộ khuếch đại đẩy kéo đơn giản được thể hiện trong hình 3.5.

Do các mạch khác tạo bởi kết hợp các cặp bộ khuếch đại đôi khi được gọi

là đẩy kéo, nên chúng ta sẽ gọi dạng này là đẩy kéo đơn giản. Mạch tương

tự như hình 3.4 trừ bộ kết hợp đầu ra không phải là một mạch sai động,

mạch mà có thể phân cách 2 bộ khuếch đại với nhau, mà là một biến áp,

nên không có sự phân cách. Việc thiếu sự phân cách kéo theo khó khăn

đáng kể với công dụng bị hạn chế của các mạch khuếch đại đẩy kéo đơn

giản thay vì những lợi ích khác, những lợi ích sẽ được tham khảo trong các

tài liệu chuyên ngành khác. Thông thường, phép chia công suất 180 0 ở đầu

vào cũng có thể thực hiện bằng cách dùng một biến thế.

Hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách điều khiển các bộ khuếch

đại riêng chế độ B, mỗi bộ khuếch đại mở chỉ trong nửa chu kỳ tín hiệu cơ

sở. Nếu điều này được thực hiện với một bộ kết hợp sai động 180 0 tại đầu

ra (hình 3.4), hài bậc chẵn mạnh nằm trong các nửa chu kỳ từ mỗi bộ

khuếch đại riêng lẻ được đưa tới kết cuối đầu ra, ở đó nó bị tiêu tán, làm

giảm hiệu quả của bộ khuếch đại. Với một biến áp, bộ khuếch đại 1 hay 2

nào dẫn tại bất kỳ thời điểm nào sẽ điều khiển tải. Khi một bộ khuếch đại

không dẫn nó nhận điện áp cao thay đổi tạo ra bởi bộ khuếch đại kia. Các

tín hiệu từ 2 bộ khuếch đại kết hợp ở đầu ra. Một cách lý tưởng, tất cả các

hài là chẵn và khử nhưng không bị tiêu tán [Các thiết bị bù (ví dụ : npn và

pnp hay kênh n, kênh p) đôi khi được sử dụng để kết hợp 2 nửa chu kỳ mà

không cần các biến áp]



65



Hình 3.5 Khuếch đại đẩy kéo đơn giản

Với bộ sai động, các hài bậc chẵn bị khử từ đầu ra các bộ khuếch đại,

để lại một sóng hình sin được cộng vào sóng sin từ bộ khuếch đại kia. Với

hoạt động chế độ B của một mạch đẩy kéo đơn giản, hai đầu ra đơn giản

được cộng và kết quả là tạo ra một tín hiệu dạng sin. Trong cả 2 trường

hợp, để có sự khử tuyệt đối các hài bậc chẵn và các hài bậc lẻ không bị khử

đều yêu cầu sự cân bằng.

Nếu các bộ khuếch đại hoạt động chế độ A (dòng điện hình sin từ

mỗi bộ khuếch đại), một cách lý tưởng, dòng tổng có thể cộng tại đầu ra

với một trong hai loại bộ kết hợp 180 0. Nếu một trong các bộ khuếch đại

dừng dẫn, công suất từ mạch đẩy kéo đơn giản có thể bị chia đôi, tại đó,

đầu ra của mạch sai động có thể giảm xuống tới 1 4 vì, dưới những điều

kiện của sự mất cân bằng, 1 2 công suất có thể bị suy hao trong tải của bộ

sai động. Tuy vậy, một bộ khuếch đại hỏng trong một cặp đẩy kéo đơn giản

có thể tác động lên bộ khuếch đại kia, có thể phá huỷ nó, do thiếu sự phân

cách.

3.1.4 Độ khuếch đại

Nếu chúng ta bỏ các bộ khuếch đại từ hình 3.2 hay 3.4, chúng ta thu

được cấu trúc thể hiện ở hình 3.3. Rõ ràng các tín hiệu cộng tại đầu ra vì

chúng đến đó cùng pha. Do đó, với các bộ sai động lý tưởng, 90 0 hay 1800,

hệ số khuếch đại chỉ là một. Sự bổ sung các bộ khuếch đại với hệ số

66



khuếch đại là g sẽ tăng tín hiệu đầu ra lên g, cho ta độ khuếch đại module

tương đương với hệ số khuếch đại của từng mạch khuếch đại riêng lẻ. Hệ

số khuếch đại này sẽ bị giảm do tổn hao tản mác trong các bộ sai động. Các

sai lệch với trường hợp lý tưởng trong các bộ sai động (điển hình là độ lớn

và pha của bộ truyền thay đổi trên băng RF xác định) hay sự sai khác trong

2 bộ khuếch đại cũng đều gây ra tổn hao. Đầu vào bộ khuếch đại không

phối hợp, mà sự không phối hợp gây ra sự phản xạ tín hiệu vào tới đầu vào,

đã được giải thích trong cách đo độ lợi bộ chuyển đổi của các bộ khuếch

đại riêng lẻ (có thể với cùng trở kháng chuẩn).



Hình 3.6 Mạch sai động không có khuếch đại

3.1.5 Hệ số tạp âm

Khi bộ khuếch đại phức hợp được điều khiển bởi trở kháng chuẩn R0

, tạp âm đầu ra của mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ sẽ là K .T0 .B. f Amp .g Amp ở đây

K .T0 ≈ 4 × 10−21 W/Hz và K là hằng số Boltzmann, B là dải thông tạp âm.



Phần tạp âm bản thân trong mỗi bộ khuếch đại là K .T0 .B.( f Amp − 1).g Amp . Một

phần hai của nó đến đầu ra của bộ kết hợp và một nửa tới kết cuối ra nên

tạp âm bộ khuếch đại ở đầu ra bộ kết hợp có cùng mức với tạp âm từ 1 bộ

khuếch đại. Tạp âm nguồn bị chia nhỏ và được khuếch đại và tái hợp một

cách kết hợp (coherent) ở đầu ra bộ kết hợp cùng với tín hiệu. Công suất

của nó ở đầu ra là K .T0 .B.g Amp (Tạp âm đầu vào kết hợp một cách kết hợp ở

đầu ra tại cùng một mức). Do đó, tổng tạp âm đầu ra là K .T0 .B. f Amp .g Amp , lớn

67



hơn tạp âm đầu vào module là f Amp .g Amp lần. Vì tín hiệu ở đầu ra lớn hơn

g Amp lần đầu vào, hệ số tạp âm với trường hợp phức hợp cũng giống như



với các bộ khuếch đại riêng lẻ:

f mod ule =



S in N out

1

=

f Amp g Amp = f Amp

Sout N in g Amp



(3.9)



Để giải thích cho sự suy hao trong đầu vào bộ sai động rất là đơn

giản vì nó thể hiện giống như bộ suy hao ở trước module và do đó tăng

f mod ule do sự suy hao của nó. (Vì hệ số tạp âm với các bộ khuếch đại riêng lẻ



có thể đo với nguồn trở kháng chuẩn, các phản xạ từ đầu vào của các bộ

khuếch đại lại đã được giải thích). Sự suy hao đầu ra, nhỏ hơn 1, sẽ bị chia

bởi g trước khi được cộng với f, do đó nó sẽ có ít tác động hơn.

3.1.6 Cây kết hợp



Hình 3.7 Cây kết hợp

Các bộ khuếch đại, thể hiện trong hình 3.2 hay 3.4, có thể gồm các

module được biểu diễn lại bởi một trong những hình này, do đó, kết hợp 4

bộ khuếch đại thành phần. Một module như vậy có thể, đến lượt nó, phục

vụ như một bộ khuếch đại trong một module bậc cao hơn... Hình 3.7 cho

thấy 3 mức kết hợp công suất. Mỗi mức hoạt động như một bộ khuếch đại

cho mức kế tiếp cao hơn. Do đó, một mức có thể sử dụng lặp lại cấu hình

68



như trong hình 3.2 hay 3.4, làm tăng số lượng thiết bị kết hợp và công suất

ra cực đại.

Các bộ chia công suất và bộ kết hợp công suất có thể là các bộ sai

động 900 hay 1800, hay các bộ kết hợp, bộ chia công suất đồng pha. Chúng

ta có thể dùng sự kết hợp để đạt được các lợi ích kết hợp các loại khác

nhau. Ví dụ, chúng ta nên sử dụng các mạch sai động 90 0 trong mức 1 để

phối hợp trở kháng và triệt hài lẻ, và các mạch sai động 180 0 trong mức 2

để triệt hài chẵn. Chúng ta nên biết rằng các mạch sai động có thể chứa các

lõi từ và do đó có thể tự nó sinh ra các hài và IM.

Mỗi mức tăng tổng công suất ra 3dB ( giả sử công suất ra mỗi bộ

khuếch đại là cố định) giảm suy hao ở bộ kết hợp đầu ra, nhưng độ khuếch

đại tổng giảm do suy hao ở đầu vào và các bộ kết hợp đầu ra, nên các bộ

khuếch đại nên được đưa vào ở cấu trúc chia công suất đầu vào.

3.1.7 Phân tích tầng của một cây kết hợp

Chúng ta có thể phân tích một cây kết hợp, được thể hiện trong hình

3.7, như một tầng bằng cách sử dụng công suất tổng trong tất cả các nhánh

tại mỗi giao diện là các biến tại điểm đó trong tầng. Do đó, mỗi bộ chia

công suất được biểu diễn như một bộ suy hao với độ khuếch đại trong một

mạch phối hợp.



g = Pout Pin



(3.10)



Với Pin là công suất tổng tại tất cả q đầu vào và Pout là công suất tổng

tại tất cả 2q đầu ra (nghĩa là, q=1 với bộ chia đầu tiên). Một cách lý tưởng,

sự suy hao là 0 dB và g=1.

M bộ khuếch đại kết hợp như trong hình 3.7 có M=8 có công suất

đầu vào và tạp âm đầu vào tương đương gấp M lần so với một bộ khuếch

đại đơn ; Vì vậy, hệ số tạp âm kết hợp cũng giống như tạp của một bộ

khuếch đại đơn. Công suất tín hiệu đầu ra kết hợp và công suất đầu ra kết



69