Một bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại 20 dB. Đưa vào −10 dBm, ra +10 dBm. Đưa vào 0 dBm, ra +19 dBm chứ không phải +20 dBm. Một decibel đã biến mất, và cùng với nó là giả định tuyến tính mà toàn bộ ngân sách liên kết của bạn dựa vào.
Đo nén khuếch đại là phép đo xác định chính xác biên giới đó, còn phép đo méo hài giao thoa cho biết điều gì xảy ra sau khi vượt qua. Bài viết đi qua định nghĩa chuẩn, bốn thuật toán tìm điểm nén, cách thiết lập phép đo hai tông, và một giới hạn phần cứng mà rất nhiều kỹ sư phát hiện ra quá muộn — thường là sau khi máy đo đã hỏng.
Điểm nén 1 dB: định nghĩa chính xác
Ở mức công suất thấp, hệ số khuếch đại của một bộ khuếch đại là hằng số, không phụ thuộc mức tín hiệu. Đó là vùng tuyến tính, và giá trị khuếch đại trong vùng này thường được gọi là hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ.
Theo tài liệu của Keysight, điểm nén 1 dB là mức công suất vào — đôi khi được quy về công suất ra — làm hệ số khuếch đại giảm đi 1 dB so với hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ đó.
Hai chi tiết trong định nghĩa này thường bị bỏ qua và cả hai đều gây tranh cãi khi đối chiếu số liệu giữa nhà cung cấp và phòng thí nghiệm:
- Quy về đầu vào hay đầu ra. P1dB đầu vào và P1dB đầu ra chênh nhau đúng bằng hệ số khuếch đại đã nén, tức khoảng “G − 1” dB. Một tờ thông số không nói rõ quy về đâu là một tờ thông số thiếu.
- Mốc tham chiếu là gì. “Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ” phải được đo tại một mức công suất cụ thể trong vùng tuyến tính. Chọn mốc khác nhau cho kết quả P1dB khác nhau.
Đo nén khuếch đại: ba cách quét và bốn thuật toán
Máy phân tích mạng cho ba dạng phép đo nén, mỗi dạng trả lời một câu hỏi khác:
- Quét công suất tại một tần số cố định — cho biết mức công suất vào nào gây sụt 1 dB tại tần số đó. Đây là dạng cổ điển, cho đường cong khuếch đại theo công suất.
- Quét tần số — tìm tần số mà tại đó hiện tượng nén 1 dB xuất hiện đầu tiên. Hữu ích khi cần biết điểm yếu nhất trong dải làm việc.
- Công suất tuyệt đối — hiển thị công suất ra tính bằng dBm tại điểm nén, tức là câu trả lời cho “bộ khuếch đại này ra được bao nhiêu”.
Ứng dụng đo nén khuếch đại S93086B trên dòng PNA bổ sung bốn thuật toán xác định điểm nén: nén so với hệ số khuếch đại tuyến tính, nén so với hệ số khuếch đại cực đại, nén X/Y, và nén so với mức lùi (back-off). Bốn thuật toán này không cho cùng một con số trên cùng một linh kiện — với bộ khuếch đại có hiện tượng bơm khuếch đại (gain expansion) trước khi nén, “so với tuyến tính” và “so với cực đại” chênh nhau rõ rệt. Ghi rõ thuật toán đã dùng vào biên bản là bắt buộc nếu muốn kết quả tái lập được.
Ứng dụng cũng cung cấp phép quét hai chiều: khai báo dải tần, dải công suất và số điểm cho mỗi trục, rồi chọn quét tần số tại từng mức công suất hoặc quét công suất tại từng tần số. Thuật toán SMART Sweep đo ít điểm hơn nhưng chọn điểm theo thuật toán riêng, cho độ chính xác tương đương cách quét dày đặc truyền thống mà nhanh hơn nhiều.
Cảnh báo phần cứng: máy đo cũng nén
Đây là phần đắt giá nhất của bài viết, theo cả nghĩa đen.
Để đẩy một bộ khuếch đại vào bão hoà, nguồn của máy phải đủ mạnh. Nhưng công suất ra của linh kiện sau đó đi thẳng vào máy thu của chính máy phân tích mạng — và máy thu có giới hạn riêng.
Với Keysight N5227B, tài liệu kỹ thuật ghi mức nén 0,1 dB tại cổng đo là +15 dBm trong dải 10 đến 100 MHz, +12 dBm từ 100 MHz đến 26,5 GHz, và +11 dBm từ 30 đến 67 GHz. Công suất ra danh định cực đại của nguồn là +7 dBm ở dải 1 đến 2 GHz và +5 dBm ở dải 64 đến 67 GHz.
Đọc hai dòng đó cạnh nhau sẽ thấy vấn đề: một bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại 30 dB, được kích ở 0 dBm, sẽ trả về +30 dBm — cao hơn ngưỡng nén của máy thu tới 18 dB. Kết quả không phải là một phép đo sai, mà là hai phép đo sai chồng lên nhau: đường cong nén bạn nhìn thấy là tổng của nén trong linh kiện và nén trong máy thu, và bạn không có cách nào tách chúng ra từ dữ liệu. Chưa kể nguy cơ hỏng máy thu.
Nguyên tắc: luôn tính trước công suất ra cực đại của linh kiện, rồi chèn bộ suy hao hoặc bộ ghép định hướng để mức vào máy thu nằm dưới ngưỡng nén ít nhất 10 dB. Tài liệu của Keysight nói thẳng điều này: phải cấp đủ công suất để đẩy linh kiện vào bão hoà, và phải suy hao công suất ra đủ mức nếu cần, để tránh làm hỏng hoặc làm nén máy thu.
Méo hài giao thoa: vì sao bậc ba là bậc nguy hiểm
Khi đưa hai tín hiệu hình sin tần số f₁ và f₂ vào một linh kiện phi tuyến, đầu ra chứa các thành phần tần số dạng n·f₁ + m·f₂ với n, m là các số nguyên. Phần lớn các thành phần này nằm xa dải làm việc và bị lọc bỏ dễ dàng.
Trừ hai thành phần. Các sản phẩm bậc ba tại 2f₁ − f₂ và 2f₂ − f₁ nằm ngay cạnh hai tông gốc — cách đúng bằng khoảng cách giữa hai tông. Không bộ lọc nào tách được chúng ra khỏi tín hiệu có ích, nên chúng rơi thẳng vào kênh lân cận.
Đặc tính thứ hai làm chúng nguy hiểm hơn: công suất của sản phẩm bậc ba tăng theo hệ số ba so với mức tăng công suất của tông gốc. Tăng mỗi tông lên 1 dB thì sản phẩm bậc ba tăng 3 dB, nghĩa là khoảng cách giữa tín hiệu có ích và méo hài xấu đi 2 dB cho mỗi decibel công suất thêm vào. Chính quy luật ba-trên-một này cho phép ngoại suy tuyến tính hai đường tới giao điểm giả định — điểm chặn bậc ba, hay IP3.
Ứng dụng đo méo hài S93087B trên dòng PNA đo được sản phẩm bậc 2, 3, 5, 7 và 9, hiển thị luôn các điểm chặn tương ứng. Nó điều khiển tần số và công suất của cả nguồn nội lẫn nguồn ngoài, và cho phép quét theo tần số trung tâm của cặp tông, theo khoảng cách giữa hai tông, hoặc theo công suất của một hay cả hai tông. Vì dùng nguồn nội, phép quét méo hài nhanh hơn cách tiếp cận dựa trên máy phân tích phổ tới hơn 100 lần theo tài liệu của Keysight. Chế độ IM Spectrum vẫn cho một màn hình dạng phổ để kiểm chứng hoặc gỡ rối khi kết quả đáng ngờ.
Ba nguồn sai số và cách đặt bộ suy hao máy thu
Trong phép đo méo hài trên PNA-X, méo hài do chính máy thu sinh ra là một trong ba nguồn sai số. Việc chọn bộ suy hao máy thu là một bài toán đánh đổi ba chiều:
- Suy hao quá lớn — tín hiệu tới máy thu yếu, nhiễu ngẫu nhiên mức thấp che mất sản phẩm méo hài cần đo.
- Suy hao quá nhỏ — máy thu tự sinh méo hài, và bạn đang đo méo của máy chứ không phải của linh kiện.
- Vùng ở giữa — phải tìm bằng thực nghiệm: đổi suy hao thêm 5 dB, nếu mức sản phẩm méo hài đo được thay đổi thì máy vẫn đang góp phần vào kết quả.
Phép thử này đơn giản và nên làm mỗi khi thay đổi cấu hình. Nó cùng một tinh thần với việc kiểm soát đóng góp của thiết bị trong đo hệ số tạp âm chuỗi thu RF: kết quả chỉ đáng tin khi đã chứng minh được máy đo không phải là nguồn chính của đại lượng đang đo.
Hiệu chuẩn: vì sao hiệu chuẩn tham số S là chưa đủ
Phép đo nén và méo hài là phép đo công suất tuyệt đối, không phải phép đo tỉ số. Một phép hiệu chuẩn tham số S thông thường chuẩn hoá tỉ số giữa các sóng tới và sóng phản xạ, nhưng không nói cho máy biết một dBm thật sự là bao nhiêu tại mặt phẳng linh kiện.
Vì vậy hiệu chuẩn dẫn hướng cho các ứng dụng này gồm ba phần: hiệu chuẩn công suất bằng máy đo công suất, hiệu chuẩn máy thu, và hiệu chỉnh sai số mất hoà hợp bằng khả năng hiệu chỉnh sai số vector của máy. Bỏ bất kỳ phần nào trong ba phần này, con số P1dB thu được sẽ lệch một lượng không biết trước.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo linh kiện tích cực
- N5227B — dòng PNA 900 Hz đến 67 GHz, nền tảng cho cả ứng dụng đo nén S93086B lẫn ứng dụng đo méo hài S93087B. Chọn cấu hình bốn cổng, hai nguồn (Option 410) nếu cần phép đo hai tông bằng nguồn nội.
- P9375B — máy phân tích mạng vector dạng USB, phù hợp khi phép đo nén nằm trong dây chuyền sản xuất hoặc trong hệ thống đo tự động cần chiếm ít không gian giá.
- N9042B — máy phân tích tín hiệu UXA, cần đến khi phải khảo sát phổ đầu ra rộng hơn cặp tông, hoặc khi đo méo hài với tín hiệu điều chế thật thay vì hai tông hình sin.
Kết luận
Điểm nén và điểm chặn bậc ba là hai cách nhìn cùng một hiện tượng: linh kiện không còn tuyến tính nữa. Điểm nén cho biết khi nào, còn IP3 cho biết hậu quả rơi vào đâu trên trục tần số. Cả hai chỉ có nghĩa khi kèm theo ba thông tin: thuật toán xác định, mặt phẳng quy chiếu, và bằng chứng rằng máy đo chưa nén.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích mạng và máy phân tích tín hiệu. Cần tư vấn cấu hình đo nén và méo hài cho linh kiện cụ thể, hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ, xin liên hệ hotline 0908 173 345.
