ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
Đề tài:”Thiết kế bộ trộn tần 500MHz”
Sinh viên thực hiện:
Họ & Tên: Ngô Văn Đức
SHSV : 20090793
Lớp : ĐK&TĐH 4-K54
Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Quốc Cường
1 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
MỤC LỤC
Trang
PHẦN I.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI …………………………………………… …… ……3
1.Khái niệm về bộ trộn tần……………… ……………… …… ………………3
2.Các tính chất quan trọng của bộ trộn tần……………… ………………… … 6
PHẦN II.THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN SỐ 500MHz…………………………………… 7
I.Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn…………………………………….7
1.Lựa chọn thiết bị cho bộ trộn tần…………………………………………………8
2.Mô hình DC của transistor……………………………………………………… 8
3.Khảo sát đặc tính của transistor…………………………………………………10
4.Thực hiện phối hợp trở kháng………………………………………………… 12
II.Mô phỏng bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn……………………… 13
III.Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ trộn tần………………………………………………18
IV.Tính toán các thông số cho bộ trộn tần……………………………………………18
1.Tính toán giá trị tụ điện………………………………………………………….19
2.Tính toán giá trị của các khối TLM……………………………… ……………21
V. Bộ trộn tần cân bằng đơn dùng BJT MMBR941………………………………….23
Tài liệu tham khảo ………………………………………………………………………26
2 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793

PHẦN I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đề tài: Thiết kế bộ trộn tần 500MHz
Hình 1.1- Nguyên lý bộ trộn tần số
[1]
Bộ trộn tần là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các
tần số khác nhau. Trong máy phân tích phổ , bộ trộn tần làm nhiệm vụ trộn sóng sin giữa
tín hiệu đầu vào và tins hiệu LO để tạo ra tổng và hiệu của tín hiệu sóng sin thành phần.
1.Khái niệm về bộ trộn tần
Bộ trộn tần (Mixer) trong máy phân tích phổ là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho
phép chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số khác nhau. Thành phần tín hiệu ở tần số cần đo
RF được chuyển thành tần số IF cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết kế các bộ
khuếch đại dễ dàng hơn. Bộ trộn tần gồm 3 cổng RF, LO, IF gồm các thiết bị tích cực
hoặc thụ động.
Bộ trộn tần thường được thực hiện bằng cách nhân hai tín hiệu ở các tần số khác nhau
để thực hiện chuyển đổi tần số.
3 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 1.1- Bộ trộn tần số
[2]
Với hai tín hiệu đầu vào bộ Mixer x(t), y(t) được biểu diễn theo công thức (2.1)

1
2
( ) cos
(2.1)
( ) cos
x t A t
y t B t
ω
ω

=


=


Vậy tín hiệu đầu ra IF là:
1 2 1 2 1 2
( ). ( ) cos . os os( - )t+ os( )t
2 2
AB AB
x t y t A t c t c c
ω ω ω ω ω ω
= = +
(2.2)
Tín hiệu được đưa vào từ hai cổng thường dùng các tín hiệu từ các máy phát dao
động. Trong quá trình trộn, nếu ta lấy tần số đầu ra thấp hơn tần số đầu vào thì gọi là
4 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
chuyển đổi xuống tần số thấp; nếu ta lấy tần số đầu ra cao hơn tần số đầu vào thì được
gọi là chuyển đổi lên tần số cao.
Hình 1.3 - Bộ chuyển đổi xuống tần số thấp
[3]
5 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 1.4- Bộ chuyển đổi lên tần số cao
[3]
 Bộ trộn tần là một thiết bị dịch tần số.
 Máy trộn tần số tạo ra tín hiệu có nhiều tần số không đúng với tần số cần lấy do đó
cần sử dụng mạch lọc thông dải loại bỏ các tần số không mong muốn

2.Các tính chất quan trọng của bộ trộn tần
- Conversion loss- làm giảm đặc tính của nhiễu
- Conversion gain or loss:là tỉ số giữa mức tín hiệu đầu ra so với mức tín hiệu đầu
vào( thường tính bằng dB) ứng với một mức công suất đầu vào LO, phụ thuộc bởi các
loại bộ trộn (tích cực hoặc thụ động), phụ thuộc bởi số lượng các mạch đầu vào RF cũng
trở kháng đầu ra tại cổng IF , và cũng phụ thuộc LO.
Conversion gain or loss của một bộ trộn tích cực là khoảng 10 dB, còn đối với Diode
là khoảng-6dB.
6 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 1.5 – Nhiễu qua bộ trộn tần
[3]
- Điểm nén 1db: Đối với các mức tín hiệu đầu vào nhỏ. Cường độ đầu ra tăng tuyến tính
theo cường độ tín hiệu vào. Khi cường độ tín hiệu đầu vào tiếp tục tăng, conversion loss
của mixer sẽ bắt đầu tăng. Điểm nén 1dB là mức cường độ tín hiệu đầu vào mà ở đó
conversion loss được tăng lên 1dB. Mixer cần được dự trữ từ mức điểm nén 1dB này để
bảo đảm tránh nguy cơ xuất hiện thêm các thành phần đầu ra không mong muốn
PHẦN II.THIẾT KẾ BỘ TRỘN TẦN SỐ 500MHz
I.Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn
7 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Mạch trộn tần có thể thiết kế theo mô hình cân bằng đơn (single-balanced mixer) hay
cân bằng kép (double-balanced mixer)sử dụng các phần tử phi tuyến như diode hay
transistor hoặc các phần tử tuyến tính tham số như Gilbert cell. Tuy nhiên, do thời gian,
và điều kiện làm việc, chúng em chọn mô hình single-balanced mixersử dụng BJT. Mô
hình trộn tần single-balanced mixer có sơ đồ đơn giản, có dải tần số rộng, linh kiện dễ
tìm trên thị trường Việt Nam
Hình 2.1-Mô hình bộ trộn tần cân bằng đơn
[4]
Bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn sử dụng BJT. Có dải tần số làm việc

rộng, lên đến 3GHz, 2 cổng tín hiệu cùng vào 1 cổng. Sụt hao chuyển đổi khoảng 10 dB.
Nguồn cung cấp là điện áp 1 chiều khoảng 1VDC có 600mA. Các đầu vào của thiết bị có
trở kháng là 50 ohm, có cách ly bằng tụ điện nhằm chống nhiễu.
1.Lựa chọn thiết bị cho bộ trộn tần
Một trong những bước đầu tiên trong quá trình thiết kế là chọn thiết bị. Trong phạm
vi đồ án này em chọn BJT MMBR941 Motorola, đây là 1 bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT)
theo tiêu chuẩn SOT-23
[*]
. Các thiết bị lựa chọn có hiệu suất đáp ứng đủ cho thiết kế này,
chi phí thấp, có mô hình khá chính xác và có sẵn. Vì vậy MMBR941 là một lựa chọn tốt.
Mô hình thiết bị được lấy từ mô hình của Gummel-Poon có các thông số của Motorola
[reference].
BJT MMBR941 là transistor có hệ số tạp âm thấp, được sử dụng ở dải tần rông, tần số
cao lên tới 3GHz. Điện áp cung cấp là 10VDC, dòng điện là 5A.
8 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình2.3 - Những thông số cơ bản của MMBR941
2.Mô hình DC của transistor
Ta thiết lập tham số phân tích DC. Điên áp DC được thiết lập là một biến,VCE , được
khởi tạo trong khối VAR. Khối VAR cũng khởi tạo biến IBB. Giá trị thực tế sử dụng cho
VCE được xác định trong khối điều khiển mô phỏng DC(DC1).
Ta thiết lập các thông số mô phỏng : VCE quét từ 0v đến 6V, mô hình có phạm vi
hoạt động tương đối rộng. Bộ điều khiển DC có thể quét một biến duy nhất, IBB đuộc
quét bằng ParamSweep, IBB được thiết lập từ 50uA đến 350uA.
Hình 2.3 – Mô hình phân tích DC
9 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Kết quả mô phỏng:
Hình 2.4 - Kết quả mô phỏng phân tích DC
Kết quả mô phỏng cho thấy VCE=1V, ICE< 0.6mA

3.Khảo sát đặc tính của transistor
Trong sơ đồ mạch (hình 2.5) sử dụng các khối DC_Feed và DC_Block và khối Term
có trở kháng là 50 ohm để mô phỏng đặc tính của thiết bị. Ta tính toán điện trở tại các
điểm hoạt động của thiết bị. Trong sơ đồ mạch, VCC là 1VDC, IBB quét từ 1uA đến
10uAvà bước nhảy là 0.5uA. Các kết quả mô phỏng được thể hiện trong bảng[ ghi tên
bảng ở dưới] , ta nhận thấy kết quả phù hợp với các thông số được chọn.
10 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 2.5– Khảo sát đặc tính transistor
Kết quả mô phỏng được biểu diễn trong các bảng sau:
 Bảng giá trị ICC, VBE và VCC
 Bảng giá trị Rb và Rc
11 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Kết quả : Chọn I
BB
= 5uA; I
CC
=500uA và Rb = 8424.296 Ohm, Rc = 481.125 Ohm chọn
giá trị gần nhất thì Rb = 8.4kOhm, Rc = 480 Ohm
4.Khảo sát thiết bị với tín hiệu lớn.
Hình 2.5-Khảo sát thiết bị với tín hiệu lớn
12 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Sử dụng Harmonic Balance trong ADS agilent để thực hiện tăng công suất tín hiệu
đầu vào(dBm) từ thấp (chế độ tín hiệu nhỏ) cho đến khi đạt đến trạng thái bão hòa để xác
định điểm nén 1db. Công suất của tín hiệu đầu ra được tính như sau:
PwrOut= dBm(HB.Vout[1]) với HB.Vout[1] là thành phần tần số cơ bản 500MHz
Độ khuếch đại đầu ra được tính như sau:
Gain=compression.HB2.HB.PwrOut-compression.HB2.HB2.HB.PwrIn

Trong sơ đồ mạch(hình 2.5) ta quét các mức công suất đầu vào từ thấp đến cao.Biến năng
lượng đầu vào là "PwrIn" được quét từ -50 đến-5dBm. Ta có "HB.Vout [1]",xác định các
tần số cơ bản.
Hình 2.6-khảo sát khuếch đại đầu ra của transistor
 Sử dụng khối mô phỏng Gain Compression trong ADS tính trực tiếp công suất ra và
công suất vào tương ứng (dBm) tại điểm nén 1dB, ta cũng thu được kết quả tương tự.
4.Thực hiện phối hợp trở kháng
Một bước quan trọng trong thiết kế bộ trộn là việc xác định trở kháng ở mỗi cổng.
Mục tiêu là mạng đầu vào sẽ được phối hợp với thiết bị có trở kháng 50Ω tại tần số RF
13 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
và biểu diễn ngắn mạch đối với tần số IF (để ngăn tạp âm từ đầu vào được khuếch đại và
ảnh hưởng đến tín hiệu IF ở đầu ra). Tương tự như vậy, mạng đầu ra phối hợp với trở
kháng tải 50 Ω tại tần số IF và biểu diễn ngăn mạch tại tần số RF. Như vậy, với mỗi tần
số khác nhau của tín hiệu tại cổng vào thì tại cổng ra của thiết bị là hoàn toàn khác nhau.
II.Mô phỏng bộ trộn tần thiết kế theo mô hình cân bằng đơn.
Hình 2.7- Mạch nguyên lý bộ trộn tần chưa phối hợp trở kháng
Thành phần Z1P_Eqn được định nghĩa trong khối VAR. Ở đầu vào, ZIN, được thiết
lập ngắn mạch ở IF . Tương tự như vậy, zout được thiết lập ngắn mạch tại RF. Nguồn
LO có trở kháng là 50 Ω và được cách ly bằng một tụ0.5pF .
Kết quả mô phỏng bằng S-parameters tại RFcó trở kháng đầu vào là (11.5-j39.45) Ω
Khi ngắn mạch tại IF. Tại IF, trở kháng đầu ra là (2064.5-j*2010.5) Ω.
14 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 2.8- Thể hiện trở kháng đầu vào của mạch
Kết quả trở kháng đầu vào RF là (11.5-j39.45) Ω và trở kháng đầu ra IF là (2064.5-
j*2010.5)
Ta sử dụng công cụ Smith Chart Utility của ADS tính toán phối hợp trở kháng
 Phối hợp trở kháng ở đầu vào RF
C

RF
= 105 pF
L
RF
= 3.85 nH
Hình 2.9-Phối hợp trở kháng RF
15 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
 Phối hợp trở kháng IF ( tương tự RF)
C
IF
=7.78pF
L
IF
= 1350nH
Thay thế L song song bằng một mạch LC song song tương đương. Giá trị Giá trị của
tụ điện đủ lớn để bảo đảm ngắn mạch với tín hiệu RF. Chọn L = 200 nH và C = 47 pF.
Khi đó, trở kháng tương đương của mạch LC bằng với trở kháng của LIF bằng 50 ohm.
Cuối cùng ta được sơ đồ như hình 2.10
Hình 2.10 - Mạch nguyên lý bộ trộn tần đã phối hợp trở kháng
(Hình 2.10) mô phỏng chuyển đổi của cho bộ trộn và xác định ảnh hưởng đến bộ trộn
bởi các thành phần tín hiệu tại các cổng vào.
 Kết quả mô phỏngPhổ tín hiệu đầu ra IF
Tần số tại cổng ra f
IF
=f
LO
-f
RF
16 | P a g e

Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 2.11 - Phổ Tín hiệu đầu ra IF
 Gain
Khi giữ cố định P
RF
=50 dBm, ta sẽ thu được Conv Gain =-30.191
 Điểm 1dB
17 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Giữ cố định PRF = -10dBm, thay đổi giá trị PLO và tìm giá trị cường độ tín hiệu đầu
vào mà độ khuếch đại giảm 1dB. Ta được tại điểm nén 1dB, giá trị cường độ tín hiệu đầu
vào khoảng PLO là -21 dBm.
Hình 2.12 – Độ khuếch đại giảm 1dB tại PRF = -10 dBm
Hình 4.13 – Đồ thị độ suy giảm tại 1dB
III.Cấu trúc hoàn chỉnh của bộ trộn tần
18 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Sau khi hoàn thành phần thiết kế nguyên lý, cho kết quả phù hợp với yêu cầu đồ án,
em tiến hành thiết kế mạch in cho mạch nguyên lý.
Dưới đây là mạch nguyên lý hoàn chỉnh.
Hình 2.14 - Mạch nguyên lý hoàn chỉnh của bộ trộn tần
Trong mô hình trên, mỗi đường mạch em thay thế bằng khối MLIN, chúng đại diện cho
đương dây dài của mỗi đường mạch.
IV.Tính toán các thông số cho bộ trộn tần.
Các giá trị của các linh kiện trong mạch ở hình 2.14 cũng như giá trị về độ rộng, chiều
dài của các đường dây dài, của các khối sẽ quyết định đến chất lượng của mạch. Việc tính
toán các giá trị sao cho hợp lý là phần rất quan trọng trong khi thiết kế. Phần này em xin
trình bày các bước tính toán xác định các thong số cho mạch trộn tần đã đề xuất trong
hình 2.14.
1.Tính toán giá trị tụ điện.

19 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Giá trị của tụ điện sẽ được tính để tạo dải thông đủ rộng cho khoảng tần số mà ta đang
khảo sát. Trong khối vào của tín hiệu của LO và RF, IF đều kết hợp với tụ để chặn dòng
một chiều thì ta có cấu trúc mạch tương đương với mạch lọc thông cao.
Hình 2.14 – đường mạch đưa tín hiệu vào và ra
Mạch lọc thông cao có tác dụng cho tín hiệu tần số cao hơn tần số cắt của mạch lọc đi
qua. Dải tần số làm việc của bộ trộn tần 500 MHz ÷1100 MHz. Ta phải tính toán tần số
cắt của mạch lọc thông cao này sao cho tín hiệu có tần số trong khoảng tần số khảo sát
trên không bị cắt mất khi đi qua mạch lọc này. Nghĩa là ta phải đặt giá trị của tần số cắt
nhỏ hơn tần số nhỏ nhất của dải tần khảo sát, hay f
c
< 500 MHz. Từ giá trị của tần số cắt
này ta sẽ tính toán được điều kiện để lựa chọn giá trị cho tụ điện cũng như chiều dài và
độ rộng của đường dây dài TL 8 và TL7 ; TL9 và TL 10 ; Tl13 và TL 14 tương ứng.
Đầu tiên ta phải tính toán hai thông số cơ bản thể hiện cho đường dây dài. Mỗi đường
dây thường được biểu diễn như hình vẽ dưới đây:
Hình 2.15 – Sơ đồ mạch tương đương của đường dây dài
[4]
20 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Với trường hợp không tổn hao – Lossline thì đường dây chỉ còn hai giá trị là L’ và C’.
Ta chọn tính với trường hợp Lossline để sau đó có thể dùng phần mềm ADS để tính toán
với đường dây thực. Ta có các công thức để tính toán cho hai giá trị này như sau:
(4.4)
Trong đó giá trị ε
eff
được tính toán theo các công thức[9] sau :
(4.5)
Từ đó tính được:

(4.6)
(4.7)
(4.8)
Từ đó, thay giá trị ngược vào các công thức từ dưới lên trên ta sẽ tính toán được giá
trị của hai thành phần cơ bản của đường dây.
Trong trường hợp này, ta chọn trở kháng là Z
0
= 50Ω để hòa hợp trở kháng giữa các
đường mạch với 2 port vào ra. Và ta có ɛ
r
=4.3 nên ta suy ra được
p=1.5171 s = 1.9415t =7.9412 ε
eff
= 3.2827
Từ → w=s*h = 1.9415 * 1.6mm = 3.1mm
Từ đó ta tính được hai thông số cơ bản của đường dây :
Với chiều dài của đường dây ta chọn là l= 4mm và độ rộng của đường dây ta tính
được ở trên là w=3.1mm. Từ đó ta có
Từ giá trị của thành phần cảm kháng này ta tính được giới hạn giá trị của tụ điện theo
công thức tần số cắt của mạch lọc dưới đây :
. Giờ ta sẽ tìm khoảng giá trị của tụ điện C
0
này. Ta có
Với 
Mà  (với là tần số nhỏ nhất trong dải tần số khảo sát – 500MHz).
Từ đó ta tính được :
21 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Vậy, ta sẽ chọn giá trị của tụ điện lớn hơn giá trị 84.43 pF. Trong trường hợp này,
phải tìm hiểu các giá trị tụ điện của linh kiện thực tế để chọn được tụ có thể làm việc

được ở dải tần số đang khảo sát và có giá trị theo điều kiện đã tính toán ở trên. Sau khi
tìm hiểu và xem xét thì ta lựa chọn dùng con tụ có giá trị 100 pF.
2.Tính toán giá trị của các khối TLM
Trong mạch sử dụng nhiều khối có tác dụng bẻ cong đường mạch theo những góc và
hướng mong muốn. Thêm vào đó là các khối thoát cho tín hiệu cao tần, lỗ Via… Tất cả
các khối này đều ảnh hưởng tới chất lượng, kết quả thiết kế. Việc lựa chọn, đặt các giá trị
cho các khối này cũng cần được xem xét để tạo một kết quả tốt nhất.
Đầu tiên là khối MTEE (Microstrip T – Junction). Ta có hình vẽ vật lý của khối như
dưới đây :
Hình 2.16 – Hình vẽ của khối MTEE
Mỗi khối MTEE sẽ có chân. Ba chân này sẽ kết nối với 3 phần mạch ở bên ngoài.
Điều kiện khi đặt độ rộng cho 3 chân này là độ rộng của chân lớn nhất không vượt quá 5
lần độ rộng của chân nhỏ nhất.
Độ rộng của 3 chân của mỗi khối MTEE được đặt dựa trên các nguyên tắc sau : Chân
nào nối với đường dây dài nào thì sẽ được đặt độ rộng bằng với độ rộng của đường dây
dài ấy.
22 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Khối thứ 2 là các khối MCURVE (Microstrip Curved Bend).Ta có hình vẽ mô tả ký
hiệu và các thông số của khối này:
Hình 2.17 – Các thông số của khối Mcurve
Trong đó, góc được lựa chọn trong khoảng từ -180
0
 180
0
.Trong bản thiết kế này, ta
luôn đặt góc quay này bằng 90 độ.W là độ rộng của lớp vật dẫn.Còn radius là bán kính
quay. Điều kiện ràng buộc giữa bán kính quay r và độ rộng w là: .
Các khối Mcurve này được lựa chọn các thông số theo nguyên tắc như sau: góc quay
được đặt ở 90 độ. Độ rộng của lớp vật dẫn được đặt bằng với độ rộng của đường dây dài

tương ứng mà nó nối tới. Còn giá trị của bán kính quay thì được đặt sao cho thỏa mãn
điều kiện .
V. Bộ trộn tần cân bằng đơn dùng BJT MMBR941
Về cấu trúc của các bộ trộn tần trong máy phân tích phổ đều giống nhau. Chỉ khác ở
tần số của tín hiệu ra và tín hiệu vào. Theo tính toán của thanh công cụ LineCalc trong
ADS kết hợp với việc tính toán lý thuyết ta có sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh.
23 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Kết quả mô phỏng là :
24 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793
Hình 2.18 – Mô hình nguyên lý bộ trôn tần và kết quả mô phỏng
Nhận xét : Ta thấy đầu ra bị suy hao khoảng 13 dBm. So với kết quả mô phỏng khi
chưa tính toán đường dây dài , ta nhận thấy kết quả thu được gần giống nhau.
Ta sử dụng tính năng Layout của ADS. Với các thư viện có sẵn trong phần mềm thiết
kế. Sơ đồ mạch Layout
25 | P a g e
Ngô Văn Đức-SHSV: 20090793