Tài liệu Thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng s dùng công nghệ cmos và phần mềm cadence

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI TÂN MẪN THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TÍCH CỰC SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS VÀ PHẦN MỀM CADENCE LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội- 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI TÂN MẪN THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TÍCH CỰC SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS VÀ PHẦN MỀM CADENCE Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Bạch Gia Dương Hà Nội- 2011 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1.BỘ LỌC SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÔNG ........................................ 9 1.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VIỄN THÔNG .......................................................... 9 1.1.1 Hệ thống di động 2G/3G/4G ................................................................. 9 1.1.2 Tiêu chuẩn LAN không dây (WLAN) ................................................. 10 1.1.3 Tiêu chuẩn Bluetooth .......................................................................... 11 1.1.4 Ứng dụng GPS .................................................................................... 12 1.1.5 Ứng dụng WiMAX ............................................................................. 12 1.2 HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN ........................................................... 12 1.2.1 Phân loại bộ lọc theo hàm truyền ........................................................ 16 1.2.2 Phân loại bộ lọc theo đặc tính ............................................................. 17 1.2.3 Tham số đặc trƣng của bộ lọc ............................................................. 18 1.2.4 Yêu cầu đối với bộ lọc ........................................................................ 22 1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ BÁN DẪN ..................................... 24 1.3.1 Đặc tính transitor CMOS .................................................................... 26 1.3.2 Bộ truyền dẫn (transconductor) ........................................................... 29 1.3.3 Cuộn cảm hình xoắn ốc (spiral inductor) ............................................. 29 CHƢƠNG 2- MẠCH LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC ...... 32 2.1 CẤU HÌNH MẠCH LỌC THÔNG DẢI VỚI CUỘN CẢM TÍCH CỰC ...... 32 2.2 CÁC LOẠI BỘ LỌC TÍCH CỰC ................................................................. 33 2.2.1 Bộ lọc thông dải Wu ........................................................................... 33 2.2.2 Mạch lọc thông dải Thanachayanont ................................................... 34 2.2.3 Bộ lọc thông dải Xiao –schaumann ..................................................... 35 2.2.4 Bộ lọc thông dải Thanachayanont-Payne ............................................ 35 2.2.5 Bộ lọc thông dải tích cực bậc cao ........................................................ 36 2.3 CUỘN CẢM TÍCH CỰC ............................................................................. 37 2.3.1 Cuộn cảm tích cực gyrator-C một cực không tổn hao .......................... 37 2.3.2 Cuộn cảm tích cực gyrator-C hai đầu tự do không tổn hao ( Lossless Floating Gyrator-C Active Inductors) ................................................................ 39 2.3.3 Cuộn cảm tích cực một đầu có tổn hao ( Lossy Single Ended Gyrator C Active inductor) ................................................................................................ 39 4 2.3.4 2.4 Cuộn cảm tích cực 2 đầu tự do có tổn hao ........................................... 40 MỘT SỐ LOẠI CUỘN CẢM TÍCH CỰC .................................................... 41 2.4.1 Cuộn cảm tích cực Karsilaya-Schaumann ........................................... 41 2.4.2 Cuộn cảm tích cực Thanachayanont-Payne mắc theo kiểu cascode. .... 42 2.4.3 Cuộn cảm tích cực 2 đầu tự do Thanachayanont ................................. 43 2.5 ĐẶC TÍNH CỦA CUỘN CẢM TÍCH CỰC ................................................. 44 2.5.1 Dải tần số :.......................................................................................... 44 2.5.2 Điều chỉnh tần số cộng hƣởng ............................................................. 45 2.5.3 Hệ số chất lƣợng ................................................................................. 45 2.5.4 Phân tích tạp âm của cuộn cảm tích cực ............................................. 46 2.5.5 Phƣơng pháp tăng hệ số chất lƣợng cuộn cảm tích cực ....................... 48 CHƢƠNG 3 - THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN CADENCE .............................. 51 3.1 PHẦN MỀM CADENCE ............................................................................. 51 3.2 MÔ PHỎNG MẠCH CỘNG HƢỞNG RLC................................................. 52 3.3 MÔ PHỎNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC ........................................................ 54 3.4 MẠCH LỌC TÍCH CỰC DÙNG SỬ DỤNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC....... 58 3.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................... 60 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 65 5 MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW EGSM ......................................................... 10 Hình 2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WCDMA..................................................... 10 Hình 3 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WLAN ........................................................ 11 Hình 4 Đáp ứng tần số bộ lọc SAW, f0=5775 MHz .................................................... 11 Hình 5 Cấu trúc mạch thu phát siêu cao tần ............................................................... 13 Hình 6 Mặt trước và sau của điện thoại di động và vị trí của các bộ lọc ..................... 15 Hình 7 Chuyển hóa các mạch lọc (a) thông thấp (b) thông cao ................................... 16 Hình 8 Đáp ứng các bộ lọc (a) thông thấp b( thông cao (c) thông dải (d) chặn dải..... 17 Hình 9 So sánh đáp ứng tần số các loại bộ lọc thông thấp khác nhau ......................... 17 Hình 10 mô phỏng NF ............................................................................................... 19 Hình 11 Điểm nén 1dB .............................................................................................. 20 Hình 12 Tín hiệu đi qua mạch điện phi tuyến ............................................................. 20 Hình 13 IIP3 .............................................................................................................. 21 Hình 14 Bộ cộng hưởng RLC .................................................................................... 22 Hình 15 Đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng bậc 2 ..................................................... 22 Hình 16 Chọn tín hiệu trong dải tần mong muốn, triệt tín hiệu ngoài dải.................... 23 Hình 17 Tạp âm dải rộng phát trong dải bộ thu. ......................................................... 24 Hình 18 Yêu cầu chặn tín hiệu của bộ lọc trong ứng dụng bluetooth .......................... 24 Hình 19 Kí hiệu transitor và mô hình tín hiệu nhỏ...................................................... 26 Hình 20Mặt cắt transitor NMOS ............................................................................... 27 Hình 21 Miền làm việc của transitor .......................................................................... 27 Hình 22 Mặt cắt và điện dung kí sinh trên NMOS...................................................... 28 Hình 23 Tụ Cgs và Cgd với tương ứng với miền làm việc của transitor ..................... 28 Hình 24 Cấu trúc bộ truyền dẫn cơ bản ...................................................................... 29 Hình 25 Bộ truyền dẫn vi sai có giá trị dương ............................................................ 29 Hình 26 Cuộn cảm layout trên đế CMOS và mô hình mạch điện tương đương .......... 30 Hình 27 Bộ lọc thông dải sử dụng cuộn cảm tích cực ................................................. 33 Hình 28 Bộ lọc thông dải sử dụng cuộn cảm tích cực vi sai ....................................... 33 Hình 29 Cấu trúc mạch lọc thông dải vi sai sử dụng cuộn cảm tích cực ..................... 34 Hình 30 Mạch lọc thông dải Thanachayanont ............................................................ 34 Hình 31 Mạch lọc thông dải Xiao Schaumann ........................................................... 35 Hình 32 Mạch lọc thông dải Thanachayanont-Payne ................................................. 36 Hình 33 Mạch lọc thông dải được đề nghị bởi Liang.................................................. 36 Hình 34 Sơ đồ khối cuộn cảm tích cực không tổn hao................................................ 38 Hình 35 Cuộn cảm tích cực hai đầu tự do không tổn hao ........................................... 39 Hình 36 Cuộn cảm tích cực hồi chuyển C một cực có tổn hao ................................... 40 Hình 37 Cuộn cảm tích cực hai đầu tự do có tổn hao ................................................. 41 Hình 38 Mô hình mạch điện cuộn cảm tích cực Karsilaya-Schaumann ...................... 42 Hình 39 Mô hình tín hiệu nhỏ của cuộn cảm tích cực Karsilayan-Schaumann ........... 42 6 Hình 40 Cuộn cảm tích cực mắc thêm cascode .......................................................... 43 Hình 41 Mô hình cuộn cảm tích cực Thanachayanont 2 đầu tự do ............................. 44 Hình 42 Bode plot điện kháng của cuộn cảm tích cực có tổn hao ............................... 44 Hình 43 Mặt cắt của biến dung MOS và giá trị điều chỉnh ......................................... 45 Hình 44 Hệ số chất lượng theo Rp,Rs ........................................................................ 46 Hình 45 Mô hình MOSFET có nhiễu ......................................................................... 46 Hình 46 Cuộn cảm tích cực và mô hình mạch điện nhiễu tương đương ...................... 47 Hình 47 Điện trở âm .................................................................................................. 48 Hình 48 Mạch lọc tích cực sử dụng điện kháng âm để tăng hệ số chất lượng ............. 50 Hình 49 Giao diện phần mềm cadence ....................................................................... 51 Hình 50 Giao diện thiết lập mô phỏng ....................................................................... 52 Hình 51 Mạch RLC và Zin ........................................................................................ 52 Hình 52 Điện kháng của mạch RLC thay đổi Rs ........................................................ 53 Hình 53 Thay đổi Cp ................................................................................................. 53 Hình 54 Thay đổi Rp ................................................................................................. 54 Hình 55 Cuộn cảm tích cực Karshilayan-Schaumman ................................................ 54 Hình 56 Mô hình tín hiệu nhỏ cuộn cảm Karshilayan-Schaumman ............................ 55 Hình 57 Thực hiện mạch điện trên Cadence ............................................................... 55 Hình 58 Điện kháng của cuộn cảm tích cực ............................................................... 56 Hình 59 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm lý tưởng ........................................... 56 Hình 60 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm tích cực ............................................ 57 Hình 61 Cadence tính toán điểm làm việc và các tham số linh kiện ........................... 58 Hình 62 Mạch lọc tích cực bậc 6 ................................................................................ 59 Hình 63 Mạch lọc tích cực bậc 2 ................................................................................ 59 Hình 64 Điều chỉnh tần số trung tâm bằng cách thay đổi dòng I0 ............................... 60 Hình 65 Điều chỉnh tần số trung tâm với I0 từ 40uA tới 80uA ................................... 60 Hình 66 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo dòng điện. ............................................. 61 Hình 67 Tinh chỉnh tần số cộng hưởng bộ lọc bậc 2................................................... 61 Hình 68 Tín hiệu vào 2GHz, lối ra bị triệt. ................................................................. 62 Hình 69 Tín hiệu vào 2.7GHz tại tần số cộng hưởng .................................................. 62 Hình 70 Tại tần số 4GHz, lối ra bị triệt ...................................................................... 63 Hình 71 Hệ số tạp NF ................................................................................................ 63 7 MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 1 Tổng quan về tiêu chuẩn không dây 3G .......................................................... 9 2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 ............................................................................... 11 3 Tiêu chuẩn Bluetooth .................................................................................... 11 4 So sánh WiMAX và các công nghệ khác ...................................................... 12 5 Đặc tính các bộ lọc ....................................................................................... 14 6 Bộ lọc thông dải bậc 4 vi sai Thanachayanont sử dụng cuộn cảm tích cực ... 35 7 Hệ số chất lượng và tần số cộng hưởng phụ thuộc vào Rp,L,Cp,Rs............... 54 8 Giá trị điện cảm theo dòng điện .................................................................... 57 9 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo VF ......................................................... 61 8 BẢNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT KÍ HIỆU SAW LNA PLL SRF DSP NF 1dB IIP3 WCDMA PWB Gm NIC TIẾNG ANH Surface Acoustic Wave Low Noise Amplifier Phase Locked Loop Self Resonant Frequeny Digital Signal Processing Noise Figure 1dB Compression Point Third order intercept point Wide Band Code Division Multiple Acess Print Wire Board Transconductor Negative Impedance Circuit TIẾNG VIỆT Sóng dao động bề mặt Bộ khuếch đại tạp âm thấp Vòng khóa pha Tần số cộng hưởng Xử lý hiệu số Hệ số tạp nhiễu Điểm nén 1 dB Điểm cắt bậc 3 Truy cập đa mã băng rộng Đường mạch in Bộ truyền dẫn Mạch điện kháng âm 1 MỞ ĐẦU Khi xem xét hệ thống thu phát cao tần, ta thấy bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong đƣờng truyền tín hiệu từ anten cho tới bộ xử lý tín hiệu. Bao gồm : bộ lọc thông dải, bộ lọc chống chồng phổ, bộ lọc chọn kênh. Có nhiều cách để phân loại bộ lọc nhƣ: dựa theo hàm truyền, theo các thành phần cấu thành nên bộ lọc, bộ lọc tích cực, bộ lọc thụ động, bộ lọc thông dải, bộ lọc chặn dải, bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao. Bộ lọc xử lý thời gian liên tục, thời gian rời rạc, bộ lọc tƣơng tự, bộ lọc số. Trong lĩnh vực siêu cao tần thƣờng sử dụng bộ lọc LC, hoặc mạch dải. Các thiết bị thu phát di động cầm tay thƣờng sử dụng mạch lọc SAW (Surface Acoustic Filter) tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị ngày một nhỏ hơn thì việc tích hợp tất cả các khối/các mạch điện trong một IC đơn nhất (RF IC) đã đƣợc thực hiện. Chỉ có duy nhất bộ lọc siêu cao tần chƣa đƣợc tích hợp trên công nghệ CMOS. Luận văn với tiêu đề “thiết kế mô phỏng mạch lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng S sử dụng công nghệ CMOS bằng phần mềm Cadence” trình bày cách thực hiện mạch lọc tích hợp trên công nghệ CMOS, và các kết quả mô phỏng thu đƣợc. Bộ lọc thông dải tích cực đƣợc thiết kế và mô phỏng chip siêu cao tần trên công nghệ TSMC 0.18um. Bộ lọc có tần số trung tâm có thể điều chỉnh đƣợc để đáp ứng cho các ứng dụng đa tiêu chuẩn (Multi Standard). Trƣớc khi xuất hiện mạch lọc tích cực thì các loại mạch lọc thụ động đƣợc thiết kế và ứng dụng rộng rãi: bộ lọc LC, bộ lọc mạch dải tập trung, bộ lọc tích cực sử dụng khuếch đại thuật toán (chỉ sử dụng đƣợc với tần số thấp hơn 100MHz), bộ lọc SAW trong đó bộ lọc SAW đƣợc sử dụng nhiều hơn cả trong các thiết bị thu phát bởi: chất lƣợng tốt, độ triệt cao tại vùng chặn dải, vùng chuyển tiếp có độ dốc lớn. Mach lọc thông dải tích cực đƣợc nghiên cứu trong luận văn bao gồm 2 bộ truyền dẫn (transconductor) mắc theo chiều ngƣợc nhau. Với các ứng dụng khác, tụ điện kí sinh là nguy hiểm và góp phần làm giảm chất lƣợng của mạch điện. Tuy nhiên với cuộn cảm tích cực sử dụng transitor thì tụ điện kí sinh trên linh kiện đƣợc sử dụng để thay thế tụ cộng hƣởng. Lợi dụng tính chất cộng hƣởng này, tín hiệu điện áp lối vào qua một bộ chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện, dòng điện này đi vào cuộn cảm tích, nhƣ vậy mạch điện có tính chất chọn lọc tần số. Vì vậy đƣợc sử dụng nhƣ là bộ lọc. Các phần trình bày trong luận văn bao gồm: Chƣơng 1. “Bộ lọc sử dụng trong viễn thông”, phần 1.1 trình bày về các ứng dụng viễn thông nhƣ : GSM, Bluetooth, WLAN, GPS, WiMax trong đó sử dụng các bộ lọc với đặc tính thế nào để đáp ứng yêu cầu cho từng ứng dụng. Trong đó bộ lọc SAW đƣợc sử dụng một cách rộng rãi. Phần 1.2 trình bày về hệ thống thu phát cao tần, trong đó nhấn mạnh vai trò và sự xuất hiện của bộ lọc nhƣ : bộ lọc thông dải, bộ lọc chống chồng phổ, bộ lọc triệt ảnh tần số, bộ lọc chọn dải. Các tiêu chuẩn phân loại bộ lọc khác nhau, các tham số đặc trƣng nhƣ hệ số tạp âm (NF), điểm nén 1dB, và các yêu cầu đối với bộ lọc nhƣ chặn tín hiệu trong dải, chặn tín hiệu ngoài dải. Phần 1.3 trình bày về công nghệ bán dẫn CMOS và các kiến thức liên quan. Để thiết kế đƣợc mạch tƣơng tự CMOS cần hiểu về đặc tính I-V, tụ điện kí sinh ..luận văn mô phỏng sử dụng công nghệ TSMC 0.18um. 2 Chƣơng 2. Trình bày nguyên lý các mô hình mạch lọc tích cực, các cấu hình cuộn cảm tích cực. Các phƣơng trình tính giá trị cảm, tụ điện, và điện trở. Cuộn cảm tích cực đƣợc mô hình hóa là mạch R,L,C song song. Các tiêu chuẩn và đặc tính của cuộn cảm tích cực. Chƣơng 3. Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực trên phần mềm cadence. Phƣơng pháp điều chỉnh tần số trung tâm, và kết quả mô phỏng trên miền tần số và miền thời gian.Điều chỉnh tần số bao gồm chỉnh thô và tinh chỉnh, chỉnh thô bằng cách thay đổi nguồn dòng cấp cho cuộn cảm, chỉnh tinh sẽ thay đổi điện áp nối với đế của tụ MOS, giá trị điện dung thay đổi theo điện áp dẫn đến tần số trung tâm thay đổi. Băng tần S định nghĩa bởi tiêu chuẩn IEEE cho sóng cao tần trong dải từ 2GHz tới 4GHz. Băng tần S đƣợc sử dụng bởi các radar thời tiết, radar thuyền bề mặt và một vài vệ tinh truyền thông, đặc biệt sử dụng bởi NASA để trao đổi thông tin giữa tàu con thoi và trạ vũ trụ quốc tế (ISS). Tại Mỹ, FCC chứng nhận DARS ( Digital Audio Radio Satelite) trong băng S dải tần từ 2.31GHz tới 2.36GHz, đang đƣợc sử dụng bởi Sirius XM Radio. Dải tần số 2.6GHz còn đƣợc sử dụng tại Trung Quốc để phát dịch vụ di động đa phƣơng tiện, đài vệ tinh và truyền hình di động. Tại một số nƣớc băng tần S đƣợc sử dụng cho dịch vụ DTH ( Direct to Home satellite), không giống nhƣ dịch vụ tại hầu hết các nƣớc là dùng băng tần Ku. Dải tần cho dịch vụ này nằm trong vùng từ 2.5GHz tới 2.7GHz. Các thiết bị mạng không dây tƣơng thích với tiêu chuẩn IEEE 802.11b và 802.11g sử dụng phần 2.4GHz của băng tần S. Lò vi sóng hoạt động từ tần số 2495 hoặc 2450 MHz. Chuẩn IEEE 802.16a sử dụng dải tần tại 3.5GHz. Tại Bắc Mỹ, 2.4 đến 2.483Ghz là dải ISM sử dụng các thiết bị không đăng kí dải tần ví dụ nhƣ tai nghe không dây, bộ gửi video và các thiết bị điện tử gia dụng bao gồm Bluetooth dải tần từ 2.492GHz tới 2.480 GHz. Cuộn cảm tích cực và mạch lọc tích cực thể hiện nhiều ƣu điểm so với cách thiết kế cuộn cảm thụ động truyền thống ( đó là các vòng dây kim loại), nghiên cứu và tối ƣu cuộn cảm tích cực sẽ mở ra khả năng thay thế cuộn cảm ví nhƣ trong bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ tạo dao động, bộ VCO, bộ trộn. 9 CHƢƠNG 1.BỘ LỌC SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÔNG 1.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VIỄN THÔNG 1.1.1 Hệ thống di động 2G/3G/4G Hệ thống thông tin di động đóng vai trò quan trọng trong thị trƣờng viễn thông với hàng tỉ ngƣời sử dụng trên toàn thế giới ( 3 tỉ năm 2008 và 4 tỉ năm 2009). Bắt đầu với thế hệ thông tƣơng tự thứ nhất 1G, tiếp theo là thế hệ số 2G, 3G ngày nay 4G đang đƣợc triển khai thử nghiệm. Trong khi hệ thống 2G chỉ tập trung vào việc truyền tín hiệu thoại, hệ thống 3G truyền cả thoại và dữ liệu với giá thành thấp và dịch vụ internet tốc độ cao thông qua kết nối di động. Dịch vụ bổ sung chủ yếu cho mạng 3G bao gồm : truyền hình di động (Mobile TV) , hội nghị từ xa (tele conference) , truyền hình theo yêu cầu (VOD). Cuộc cách mạng trong công nghệ di động từ pha thứ hai sang pha thứ 3 đƣợc minh họa trên hình 1.1 trong khi phân bổ tần số. Bảng 1 Tổng quan về tiêu chuẩn không dây 3G Với các dải tần số 3G khác nhau ( 8 dải tần số) trên toàn thế giới làm cho việc chế tạo các thiết bị đầu cuối trở nên khó khăn hơn. Tại Châu Âu, tần số 2100 MHz (WCDMA) đƣợc thiết lập với tên gọi dải UMTS, 1920-1980 MHz cho đƣờng lên (up link) và 2110-2170 MHz cho đƣờng xuống (down link). Kiến thức về phân bổ tần số này rất quan trọng trong thiết kế bộ thu phát cao tần trong các thiết bị đầu cuối phục vụ cho 2G, 2.5G và 3G. Do một số lƣợng lớn các bộ lọc SAW đƣợc sử dụng, dẫn đến nhƣợc điểm là giá thiết bị đầu cuối cao. Hơn nữa yêu cầu về độ triệt ngoài dải là nghiêm ngặt đối với các tiêu chuẩn không dây khác. Sau đây là ví dụ đáp ứng tần số của bộ lọc SAW thoản mãn yêu cầu phổ EGSM với dải tần từ 925-960MHz ( tần số trung tâm 942.5MHz) . 10 Hình 1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW EGSM Bộ lọc SAW thỏa mãn yêu cầu phổ W-CDMA với dải tần từ 2110-2170 MHz ( f0=2140MHz) . Hình 2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WCDMA 1.1.2 Tiêu chuẩn LAN không dây (WLAN) Một mạng LAN không dây là hệ thống viễn thông cung cấp dịch vụ truy cập tới các thiết bị không dây cẩm tay sử dụng sóng vô tuyến bao gồm : máy tính để bàn, laptop, PDAs, điện thoại di động, camere, máy in..Công nghệ WLAN đƣợc qui định bởi họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 . 11 Bảng 2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW thỏa mãn phổ tần WLAN ( IEEE 802.11 b/g) với dải tần 2400-2483.5 MHz ( f0=2441.75 MHz) Hình 3 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WLAN Hình 4 Đáp ứng tần số bộ lọc SAW, f0=5775 MHz 1.1.3 Tiêu chuẩn Bluetooth Bluetooth là hệ thống viễn thông cho phép giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn ( nhỏ hơn 10m) làm việc trong dải tần số (2.4-2.4835 GHz) . Thiết bị thu phát bluetooth làm việc trong môi trƣờng nhiễu . Bảng 3 Tiêu chuẩn Bluetooth 12 1.1.4 Ứng dụng GPS Một trong những cột mốc quan trọng trong lịch sử loài ngƣời sau khi thực hiện hệ thống viễn thông là hệ thống vệ tính định vị toàn cầu (GNSS – Global Navigation Satellite Systems) cho phép bất kì ngƣời dùng nào có thể biết vị trí của họ trên trái đất nhờ vào hệ thống vệ tinh. Hệ thống đầu tiên đầy đủ định vị vị trí là hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ (GPS) đƣợc phát triển bởi bộ quốc phòng . Hệ thống thứ 2, GLONASS, phát triển bởi Xô Viết đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống back up cho GPS của Mỹ. Cả 2 hệ thống đƣợc phát triển cho mục đích quân sự nhƣng họ vẫn cho phép truy cập phục vụ mục đích dân sự. Tần số vệ tinh đƣợc chọn trong dải tần từ 1GHz tới 2GHz để lỗi truyền qua tầng ion là nhỏ nhất. Hệ thống GPS làm việc trong dải tần số L2(1215-1240MHz) và L1(1559-1610 MHz). 1.1.5 Ứng dụng WiMAX Mục đích của WiMAX dựa trên tiêu chuẩn là cho phép internet di động từ lớp vật lý sang lớp mạng. Công nghệ này đang trong quá trình thử nghiệm, sử dụng OFDMA là phƣơng thức đa truy cập và MIMO, cả 2 yếu tố này để tối ƣu hóa mức độ bao phủ và hiệu suất phổ. Bảng 4 So sánh WiMAX và các công nghệ khác 1.2 HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN Anten và mạch phối hợp trở kháng / chọn dải tần số đƣợc dùng chung giữa nhánh thu và nhánh phát qua công tắc chuyển mạch RF. Hai bộ trộ thực hiện nâng tần và hạ tần cho tín hiệu phát và thu tƣơng ứng. Bộ tổ hợp tần số đƣa tín hiệu vào mạch trộn tần, tần số tham chiếu từ bộ dao động thạch anh. Cấu trúc mạch thu phát thấy xuất hiện 4 bộ lọc : bộ lọc trung tần, bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, 2 bộ lọc thông dải. Bộ lọc thông dải đi vào bộ khuếch đại công suất loại trừ tạp nhiễu ngoài dải, ngăn chúng làm bão hòa bộ khuếch đại. 13 Hình 5 Cấu trúc mạch thu phát siêu cao tần Lọc tín hiệu có thể đƣợc thực hiện bởi kĩ thuật xử lý số DSP ( Digital Signal Processing) với khả năng dự đoán cao. Tuy nhiên, DSP bị giới hạn bởi tần số nhỏ hơn 500MHz. Nếu tần số trong khoảng 500MHz và 1GHz, kĩ sƣ thiết kế thƣờng cân nhắc một trong hai kĩ thuật : xử lý tƣơng tự và DSP, dựa theo tiêu chuẩn giá thành và công suất tiêu thụ. Để thực hiện xử lý số thời gian thực (real time) thì bộ DSP 1GHz cần tốc độ lấy mẫu và mạch điện hoạt động tại tần số 10-100GHz, và điều này là không thể vì giới hạn của công nghệ, độ phức tạp của mạch điện, công suất tiêu thụ lớn. Mặt khác một mạch điện siêu cao tần với thiết kế phù hợp có thể xử lý tín hiệu GHz đảm bảo công suất thấp và giá thành trung bình. Ngày nay với sự phát triển mạnh của các thiết bị không dây nhƣ : điện thoại di động, linh phụ kiện máy tính không dây, thiết bị cầm tay..với xu thế ngày càng nhỏ gọn thì việc tích hợp tất cả các thành phần mạch điện lên một chip điện tử là nhu cầu thiết yếu và là vấn đề quan tâm của nhiều hãng sản xuất. Hiện nay hầu hết các mạch điện đã đƣợc chế tạo chung trên đế bán dẫn bao gồm : bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), vòng khóa pha (PLL), bộ lọc băng cơ sở ( base band filter) tuy nhiên các bộ lọc cao tần vẫn chƣa đƣợc tích hợp đầy đủ và phần lớn vẫn sử dụng các linh kiện rời rạc. Trƣớc hết xem xét công nghệ chế tạo bộ lọc. Lý do chính mà việc tích hợp các bộ lọc cao tần gặp khó khăn là khó chế tạo đƣợc cuộn cảm với hệ số chất lƣợng cao trên đế bán dẫn. Với công nghệ CMOS hệ số chất lƣợng của cuộn cảm thƣờng nhỏ hơn 10. Tổn hao chèn của bộ lọc sử dụng cuộn cảm tích cự với Q khoảng 20 vẫn khá lớn, để thu đƣợc tổn hao chèn chỉ khoảng vài dB thì yêu cầu Q cỡ hàng trăm. Hiện tại chỉ các bộ lọc rời rạc có Q lớn nhƣ vậy . 14 Bảng 5 Đặc tính các bộ lọc Bảng so sánh các bộ lọc rời rạc sử dụng trong các sản phẩm không dây. Với kích thƣớc khá nhỏ, công suất tiêu thụ thấp , chất lƣợng bộ lọc cao thì bộ lọc SAW đƣợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo bộ lọc SAW không tƣơng thích với công nghệ chế tạo bán dẫn. Bên cạnh đó các bộ lọc nhƣ : bộ lọc điện môi, bộ lọc LC chất lƣợng khá tốt nhƣng hạn chế là giá thành và kích thƣớc lớn. Những lợi ích của việc tích hợp bộ lọc : giá thành bộ lọc sẽ giảm bởi vì ít linh kiện ngoại vi, công suất tiêu thụ thấp hơn, tín hiệu RF không cần đi ra khỏi IC tới bộ lọc khác trên mạch in PCB. Khi tin hiệu ra ngoài PCB nó cần điều khiển điện dung kí sinh khá lớn vì thế gây ra tổn hao công suất. Thực hiện bộ lọc đƣợc chia thành 2 loại : mạch lọc thụ động (passive) mạch lọc tích cực (active). Mạch lọc thụ động sử dụng linh kiện thụ động nhƣ : cuộn cảm, điện trở..trong đó mạch lọc tích cực chỉ sử dụng linh kiện tích cực : transitor và tụ điện. Thực tế một số mạch lọc thụ động có thêm các mạch tích cực để nâng cao hệ số phẩm chất thƣờng đƣợc gọi là thiết kế thụ động nâng cao (Q-enhanced). 15 Hình 6 Mặt trước và sau của điện thoại di động và vị trí của các bộ lọc Mạch điện tích cực có thể đƣợc sử dụng để thiết kế bộ bộ lọc tại bất kì tần số nào, tuy nhiên cần đánh giá chất lƣợng sao cho phù hợp. Dƣới tần số 100KHz, bộ lọc thiết kế tốt nhất sử dụng mạch khuếch đại thuật toán và RC(opamp R-C), với một vài tụ điện rời. Giữa tần số 100KHz và 100MHz bộ dẫn nạp tụ điện (Gm-C) là phƣơng thức phổ biến và có thể tích hợp hoàn toàn. Giữa 100MHz và 500Mhz, phƣơng pháp Gm-C vẫn có thể đƣợc sử dụng nhƣng yêu cầu độ dẫn nạp (Gm) lớn, và tụ kí sinh phải tối thiểu, dịch pha cũng tối thiểu. Đối với tần số lớn hơn 500MHz, transitor đơn thƣờng đóng vài trò là các bộ dẫn nạp, đồng thời tối ƣu mạch về kích thƣớc linh kiện, số linh kiện sao cho tụ điện kí sinh là nhỏ nhất để thu đƣợc hoạt động tần số mong muốn. Cuộn cảm thƣờng đƣợc dùng trong các thiết kế hoạt động trong dải tần từ 500MHz đến 7-10 GHz. Để hoạt động tần số nhỏ hơn 500Mhz yêu cầu điện cảm quá lớn và khó thực hiện. Mặt khác tần số cộng hƣởng của cuộn cảm thƣờng từ 6-7 GHz, vì thế nó không thể sử dụng để thu đƣợc tần số hoạt động lớn hơn. Cuộn cảm thụ động có hệ số chất lƣợng thấp từ 5 tới 25 và thƣờng thƣờng là 10. Bô lọc có thể đƣợc thiết kế sử dụng kĩ thuật siêu cao tần, đối với tần số từ 500Mhz tới hơn 10GHz. Mạch dải thƣờng đƣợc sử dụng và có 2 cách. Mạch dải có chiều dài nào đó tạo ra một lƣợng dịch pha tại tần số tại tần số tƣơng ứng. Bộ lọc có thể thu đƣợc khi sử dụng mạch tích cực trong phản hồi hay feed forward. Nói cách khác, việc ngắn mạch hay hở mạch của mạch dải làm cho mạch có trở kháng vào lạ điện dung hay điện cảm. Chú ý rằng mạch dải tƣơng đƣơng với tụ điện hoặc cuộn cảm với giá trị nào đó tại tần số thiết kế. Bởi vậy nó chỉ đƣợc sử dụng để xây dựng bộ lọc hoạt động trong dải tần số hẹp. Bên ngoài tần số thiết kế , giá trị điện cảm hoặc điện dung không còn tƣơng đƣơng. Bộ lọc có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các linh kiện rời rạc thụ động nhƣ SAW. Họ sử dụng một vài tính chất cộng hƣởng cơ khí, sự dịch chuyển qua lại cơ khí đƣơc chuyển đổi thành tín hiệu điện. Thực hiện bộ lọc và bộ dao động. Linh kiện này tƣơng đƣờng với mạch cộng hƣởng RLC, và hệ số chất lƣợng cực lớn tới vài nghìn. Tuy nhiên chúng không thể chế tạo trên đế silicon và đóng gói chung trong IC vì vậy thiết bị chế tạo ra khá cồng kềnh. Mạch lọc thụ động hoặc là sử dụng các linh kiện tập trung (lumped elements) hoặc đƣờng truyền phân tán (distributed transmission lines). Thông thƣờng với mạch lọc sử dụng các linh kiện tập trung với các ứng dụng nhỏ hơn 1GHz, và các thành phần kí sinh không là vấn đề nghiêm trọng. Với tần số cao, các thành phần kí sinh trở nên có ý nghĩa, có thể gây méo đáp ứng tần số. 16 Hình 7 Chuyển hóa các mạch lọc (a) thông thấp (b) thông cao (c) thông dải (d) chặn dải Mặt khác thiết kế bộ lọc phân tán (distributed filter design) thích hợp hơn với tần số cao bởi vì các thành phần kí sinh có thể coi nhƣ là một phần của đƣờng truyền dẫn. Bộ lọc phân tán đƣợc thiết kế sử dụng phƣơng pháp thay thế linh kiện, ở đó mỗi linh kiện trong thiết kế mẫu đƣợc thay thế bởi đƣờng truyền dẫn tƣơng đƣơng 1.2.1 Phân loại bộ lọc theo hàm truyền Bộ lọc có thể phân loại theo đáp ứng của chúng ví du: thông thấp, thông cao, thông dải và chặn dải. Đặc tính của bộ lọc bao gồm : độ gợn dải thông, độ triệt miền chặn dải, tần số thông dải, tần số chặn dải. Mỗi loại có thể chia ra thành các loại nhỏ hơn tùy theo hàm truyền toán học, bao gồm Butterworth, Chebyshev, Bessel, Eliptic. Hàm truyền chủ yếu khác nhau về độ phẳng của dải thông, độ dốc vùng chuyển tiếp và độ triệt ở vùng chặn dải. Trong phần này chỉ trình bày khái quát các loại bộ lọc mà không đi sâu vào chi tiết. 17 Hình 8 Đáp ứng các bộ lọc (a) thông thấp b( thông cao (c) thông dải (d) chặn dải Hình 9 So sánh đáp ứng tần số các loại bộ lọc thông thấp khác nhau 1.2.2 Phân loại bộ lọc theo đặc tính Các lọai bộ lọc thụ động (Passive Filter) Bộ lọc LC : Là loại bộ lọc cơ bản nhất đƣợc xây dựng bởi cuộn cảm và tụ điện. Nó có tổn hao chèn (insertion loss) khá lớn do hệ số chất lƣợng thấp của các linh kiện thụ động. Bộ lọc PWB : Bộ lọc tạo bởi các đƣờng mạch in, cấu trúc khá đồ sộ trong dải tần GHz và không đáp ứng đƣợc yêu cầu trong các ứng dụng không dây. Ƣu điểm là giá thành thấp. Bộ lọc SAW ( Surface Acoustic Wave) thƣờng sử dụng trong các ứng dụng siêu cao tần. Bộ lọc có đặc tính là tổn hao chèn thấp, dải tần dịch chuyển nhỏ, kích thƣớc nhỏ 18 và công suất tiêu thụ trung bình, giá thành hợp lý, nhựng hạn chế là bộ lọc không điều chỉnh đƣợc và không tích hợp đƣợc vào IC. Bộ lọc tích cực (Active Filter) Bộ lọc tích cực cấu thành từ các linh kiện tích cực, có thể tích hợp vào công nghệ IC tiêu chuẩn và dễ dàng điều chỉnh để đáp ứng các dải tần số khác nhau. Một số loại cuộn cảm tích cực. Gm-C là bộ lọc thời gian liên tục thƣờng đƣợc sử dụng trong dải tần số thấp. Trong dải tần GHz, những bộ lọc này có hạn chế nghiêm trọng là độ tuyến tính và hiệu suất tạp âm. Bộ lọc Switched-Capacitor Bộ lọc Switched capacitor rất phổ biến trong ứng dụng tần số thấp. Cấu trúc này cho dải động tốt hơn bộ lọc Gm-C. Bộ lọc này là lọc thời gian rời rạc, nó dựa vào việc lấy mẫu trong dải tần số vì vậy việc chồng phổ có thể là vấn đề cần xem xét. Bộ lọc LC- nâng cao hệ số chất lƣợng (Q –enhanced LC filters) Bộ lọc mà có bù tổn hao cho bộ cộng hƣởng LC gọi là bộ lọc LC nâng cao hệ số chất lƣợng. Loại bộ lọc này có chất lƣợng lọc tốt nhất trong các mô hình mạch lọc tích cực. Nhiễu và vấn đề tuyến tính vẫn tồn tại trong các loại mạch lọc này. Hơn nữa, mạch điện nâng cao hệ số chất lƣợng sử dụng phần lớn công suất tiêu thụ. Bộ lọc DSP (Digital Signal Processing Filter) Bộ lọc này sử dụng bộ biến đổi A/D để chuyển một tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số và sau đó sử dụng bộ xử lý số để thực hiện lọc. Bộ biến đổi D/A cho tín hiệu ra là tín hiệu tƣơng tự đã đƣợc lọc. Trong dải tần số GHz, bộ lọc DSP cần độ phân dải 20 bit và thời gian tính toán khá dài. 1.2.3 Tham số đặc trƣng của bộ lọc 1.2.3.1 Hệ số tạp ( Noise Figure) Tín hiệu thu đƣợc tại anten rất yếu nên phải khuếch đại để điều khiển bộ trộn, để không bị suy hao thì tỉ lệ tín trên tạp của tín hiệu thu phải đƣợc thiết kế sao cho nhiễu tạo ra là nhỏ nhất đặc biệt là tầng đầu tiên của bộ thu. Hệ số tạp (noise factor) là chỉ số đo lƣợng nhiễu sau khi tín hiệu truyền qua một hệ thống. Hệ số tạp định nghĩa bằng tỉ số SNR lối vào chia cho SNR lối ra. Hệ số F Si / Ni So / No SNRin SNRout Hệ số tạp nhiễu NF=10log(F) NF(dB)=SNRin(dB)-SNRout(dB)