NGUYӈN HӲU LUÂN
NGHIÊN CӬU VÀ THIӂT Kӂ MҤCH TÍCH HӦP KHUӂ&+ĈҤI CÔNG SUҨT 35W CHO CÁC Hӊ
THӔNG THÔNG TIN SUB-6 GHZ
Chuyên ngành: Kӻ thuұWÿLӋn tӱ-viӉn thông Mã Sӕ: 8.52.02.08
LUҰ19Ă17+Ҥ&6Ƭ
Tp Hӗ chí minh, tháng 8 QăP20
Trang 2Cán bӝ chҩm nhұn xét 1: 3*676Ĉӛ Hӗng Tuҩn
Cán bӝ chҩm nhұn xét 2: TS Mai Linh
LuұQYăQWKҥFVƭÿѭӧc bҧo vӋ tҥL7UѭӡQJĈҥi hӑc BácK.KRDĈ+4*7S+&0QJj\WKiQJQăP
Thành phҫn HӝLÿӗQJÿiQKJLiOXұQYăQWKҥFVƭJӗm: 1 Chӫ tӏch HӝLÿӗng: GS.TS Lê TiӃQ7Kѭӡng 2 7KѭNêKӝLÿӗng: TS Võ QuӃ 6ѫQ
3 Phҧn biӋQ 3*676Ĉӛ Hӗng Tuҩn 4 Phҧn biӋn 2: TS Mai Linh
5 Ӫy viên: PGS TS Võ NguyӉn Quӕc Bҧo
Xác nhұn cӫa Chӫ tӏch HӝLÿӗQJÿiQKJLi/9Yj7Uѭӣng Khoa quҧn lý chuyên ngành sau khi luұQYăQÿmÿѭӧc sӱa chӱa
Trang 3
NHIӊM VӨ LUҰ19Ă17+Ҥ&6Ƭ
Hӑ tên hӑc viên :NguyӉn Hӳu Luân MSHV :1870380 1Jj\WKiQJQăPVLQK : 27/05/1995 1ѫLVLQK : TP HCM: Chuyên ngành :Kӻ thuұt viӉn thông Mã sӕ :8520208
I 7Ç1Ĉӄ TÀI :
NGHIÊN CӬU VÀ THIӂT Kӂ MҤCH TÍCH HӦP KHUӂ&+ĈҤI CÔNG SUҨT 35W
CHO CÁC Hӊ THӔNG THÔNG TIN SUB-6 GHZ
II NHIӊM VӨ VÀ NӜI DUNG :
x Nghiên cӭu và tìm hiӇu ҧQKKѭӣng ký sinh cӫa công nghӋ III-V lên chҩWOѭӧng tín hiӋu x Nghiên cӭu vӅ FiFNƭWKXұt mӣ rӝQJEăQJWK{QJWURQJPҥch tích hӧp khuӃFKÿҥi công
suҩt
x Ӭng dөQJNƭWKXұt nghiên cӭXÿѭӧc, vào viӋc thiӃt kӃ và mô phӓng mҥch khuӃFKÿҥi
công suҩWEăQJWK{QJUӝng cho hӋ thӕng thông tin sub-6GHz
III NGÀY GIAO NHIӊM VӨ : 10/02/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIӊM VӨ : 03/08/2020 V CÁN BӜ +ѬӞNG DҮN :TS HuǤQK3K~0LQK&ѭӡng
Tp HCM, ngày 03 tháng 08 QăP20
CÁN BӜ +ѬӞNG DҮN (Hӑ tên và chӳ ký)
CHӪ NHIӊM BӜ 0Ð1Ĉ¬27ҤO (Hӑ tên và chӳ ký)
75ѬӢNG KHOA Ĉ,ӊN-Ĉ,ӊN TӰ (Hӑ tên và chӳ ký)
Trang 4Nguy͍n Hͷu Luân
LӠI CҦ0Ѫ1
ĈӇ ÿLÿӃn kӃt thúc quyӇn luұQYăQQj\OjVӵ ÿӗng hành cùng thҫy và các thành viên WURQJ5),&VODE'RÿyOӡi cҧPѫQÿҫXWLrQ[LQJLjQKFKRQJѭӡi thҫy HuǤQK3K~0LQK&ѭӡng, nӃu không nhӡ sӵ dҥy bҧo cӫa thҫy thì luұQYăQVӁ thiӃXÿLFKLӅXVkXYjFNJng cҧPѫQWKҫ\ÿmFKRFѫKӝLÿӇ có thӇ hӑc hӓi và hoàn thiӋn nghiên cӭu cӫDFKtQKPuQKÿѭӧFÿӗng hành cùng thҫy là mӝWÿLӅu rҩt may mҳn và ÿiQJ trân trӑng
4XiWUuQKÿRÿҥc và sӱ dөng các trang thiӃt bӏ cӫa lab sӁ không thӇ nào thӵc hiӋQÿѭӧc nӃu không nhӡ anh Thành Vinh, anh Công và em Kim, nhӳQJQJѭӡLÿmKӛ trӧ hӃt mình&NJQJcҧPѫQQKӳng thành viên còn lҥi cӫD5),&VODEÿmJL~Sÿӥ và hӛ trӧ trong nhӳQJO~FNKyNKăQnhҩt
1JRjLUDFNJQJ[LQGjQKOӡi cҧPѫQFKRWLӃQVƭ6DQJKXQ/HHQJѭӡLÿmÿӗng ý và giúp ÿӥ tape-out cho nhӳQJFRQFKLSQj\Ĉk\OjPD\Pҳn FNJQJQKѭOjYLQKGӵ NKLÿѭӧc hӧp tác làm viӋc chung trong nghiên cӭu lҫn này
Tp Hӗ Chí Minh, ngày 03 tháng 8 QăP20
Hӑc viên
NguyӉn Hӳu Luân
Trang 5Nguy͍n Hͷu Luân
TÓM TҲT LUҰ19Ă1
Các hӋ thӕng thông tin hiӋQQD\ÿѭӧc triӇQNKDLWURQJÿӡi sӕQJWKѭӡng hoҥWÿӝng ӣ EăQJWҫn sub-6 GHz, ví dө QKѭKӋ thӕng wifi hoҥWÿӝng ӣ EăQJWҫn là 2.4 GHz và 5 GHz, hӋ thӕng vӋ tinh satelite hoҥWÿӝng ӣ EăQJWҫn (2-4 GHz), hӋ thӕng mҥQJGLÿӝng (850/900 MHz, 1.8 GHz), hӋ thӕng mҥng 5G sҳp triӇn khai tӟLÿk\KRҥWÿӝng ӣ EăQJWҫn 3.6-3.9 GHz 'RÿyQKXFҫu vӅ thiӃt kӃ mӝt hӋ thӕQJSKDVHDUUD\EăQJWK{QJUӝng là cҩp thiӃWĈӭQJWUѭӟc yêu cҫu vӅ tính cҩp thiӃt cӫDÿӅ tài, LuұQYăQWKӵc hiӋn thiӃt kӃ các khӕi thành phҫn cӫa mӝt hӋ thӕng phase-array hoàn chӍnh, bao gӗm khӕi dӏch pha, khӕi suy hao và khӕi khuӃFKÿҥi công suҩt Cҧ ba khӕLQj\ÿѭӧc thiӃt kӃ sӱ dөng công nghӋ GaAs 250nm và GaN 450nm
Khӕi suy hao có chӭFQăQJÿLӅu khiӇQELrQÿӝ tín hiӋu, thông qua viӋFÿyQJQJҳt các ELWÿLӅu khiӇn Dӵa trên nhu cҫu hӋ thӕng, khӕi suy hao cung cҩp mӭc suy hao tӕLÿDdB, vӟLÿӝ mӏQOjG%7URQJÿyÿyQJJySYӅ tәn hao tín hiӋu không quá 3 dB, tuy nhiên ÿӇ tӕLѭXKyDWәQKDRWKuÿӝ lӋFKSKDÿѭӧFÿiQKÿәL&iFNƭWKXұt bù pha do ҧQKKѭӣng tӯ ký sinh cùng nhӳQJÿiQKJLiÿѭӧc cân nhҳc và so sánh Cuӕi cùng thiӃt kӃ mҥch su\KDRÿѭӧc ÿѭDÿLFKӃ tҥo ÿӇ kiӇm chӭng các lý thuyӃWÿѭDUD.Ӄt quҧ ÿRÿҥc phù hӧp vӟi các kӃt quҧ mô phӓng Khӕi dӏch pha có chӭFQăQJWKD\ÿәi pha cӫa tín hiӋu, cung cҩSÿӝ dӏch pha lӟn nhҩt là ͵ͷͶǤ͵ͷ, vӟLÿӝ mӏn là ͷǤʹͷ 1Jѭӧc lҥi vӟi khӕi suy hao, yêu cҫu vӅ ÿӝ chính [iFNKLÿLӅu khiӇQSKDÿѭӧFÿһWOrQKjQJÿҫu, tuy nhiên tәn hao tín hiӋXFNJQJFҫQÿѭӧc tӕi ѭXWӕt nhҩt có thӇ7X\QKLrQFiFNƭWKXұWÿLӅu khiӇQSKDFNJQJNK{QJWKӇ ÿiSӭQJÿѭӧc yêu cҫu vӅ ÿӝ FKtQK[iFWURQJYQJEăQJWK{QJUӝng, do ÿyWKLӃt kӃ ÿѭӧc tách ra và tӕLѭXӣ hai vùng tҫn sӕ khác nhau KӃt quҧ ÿRÿҥc phù hӧp vӟi kӃt quҧ mô phӓng
Khӕi khuӃFKÿҥi công suҩWEăQJWK{QJUӝng sӱ dөQJNƭWKXұWSKkQWiQFKRSKpSEăQJWK{QJÿѭӧc mӣ rӝng, mà vүn giӳ ÿѭӧc yêu cҫu vӅ công suҩt lӟn Tuy nhiên ҧQKKѭӣng tӯ các ký sinh tӯ công nghӋ giӟi hҥn khҧ QăQJKRҥWÿӝng cӫa mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt, do ÿyFҫQÿiQKJLiYjWKD\ÿәLÿӇ phù hӧp Ngoài ra yêu cҫu vӅ ÿӝ әQÿӏnh cӫa mҥch khuӃch ÿҥi cҫn phҧLÿҧm bҧRGRÿyÿiQKÿәi vӟLÿӝ lӧi cӫa toàn hӋ thӕng KӃt quҧ mô phӓng sau khi mô phӓQJWUѭӡQJÿLӋn tӯ EM cho thҩy mҥFKÿҥt yêu cҫu vӅ công suҩt bão hòa ngõ ra WURQJYQJEăQJWK{QJUӝQJ7KrPYjRÿyNKҧRViWYjÿiQKJLiYӅ khҧ QăQJWtFKKӧp cӫa balun-on-FKLSGѭӧFÿѭDUDFKRWKҩy giӟi hҥn vӅ công suҩt QJ}UDYjEăQJWK{QJFӫa balun
Trang 6Nguy͍n Hͷu Luân
ABSTRACT
The communication systems nowadays almost operate in sub-6 GHz band, such as the operating bandwidth of wifi is from 2.4-5 GHz, the satelite system operate from 2-4 GHz, the mobile communication system operate from 850 MHz to 1.8 GHz And recently, the 5G system operate from 3.5- *+]« 7KHQ WKH QHHG RI EURDGEDQG GHVLJQ RI SKDVH DUUD\system for sub-6 GHz communication system is critical With the urgency of the broadband design, the dissertation concern on individual block, which are the basic components in phase array systems, included phase shifter, attenuator, and power amplifier
The digital step attenuator (DSA) is the basic block in phase array system which control the amplitude The designed DSA can attenuate total of 31.5 dB with the step of 0.5 dB The most important in design of DSA is that the insertion loss is no more of 3 dB, and also the phase error Then the phase compensation techniques is applied to the attenuator design are presented and compared Finally, the measured results show that the low insertion loss and wideband design are achieved, fitable with the simulation results Also the results show that comparable ZLWKWKHRWKHUDWWHQXDWRU¶VSURGXFWV7KHGLJLWDOSKDVHVKLIWHU '36 is designed which has the maximum phase shift of ͵ͷͶǤ͵ͷ, with the step of ͷǤʹͷ In the DPS design, the required of maximum phase error is critical Although the compensation technique is applied, the large of parasitic values cannot been fully controlled Then the proposed design is split into 2 sub-bands All 2 measured results shown that the fine of phase error, and reasonable of insertion loss Also the results show that the comparable with other products on market
The wideband power amplifier using the technique of distrubuted amplifier to enhance the product of bandwidth gain Then the two single-ending PA is combined in differential, to achieved the 35W of saturated output power In the design of wideband PA, the limit of technology will hinder the gain and bandwidth Also the need of stability must be achieved in all condition of operating The requried of stability will trade-off with gain also Finally, the balun design is presented to survey and check the ability of integrated with PA
Trang 7Nguy͍n Hͷu Luân
LӠ,&$0Ĉ2$1
Tôi tên NguyӉn Hӳu Luân là hӑc viên cao hӑFFKX\rQQJjQKNƭWKXұWĈLӋn tӱ - ViӉn Thông, khóa 2018, tҥi Ĉҥi hӑc Quӕc gia thành phӕ Hӗ Chí Minh ± 7UѭӡQJĈҥi hӑc Bách KRD7{L[LQFDPÿRDQQKӳng nӝLGXQJVDXÿӅu là sӵ thұt: (i) Công trình nghiên cӭu này hoàn toàn do chính tôi thӵc hiӋn; (ii) Các tài liӋu và trích dүn trong luұQYăQQj\ÿѭӧc tham khҧo tӯ các nguӗn thӵc tӃFyX\WtQYjÿӝ chính xác cao; (iii) Các sӕ liӋu và kӃt quҧ cӫa F{QJWUuQKQj\ÿѭӧc tôi tӵ thӵc hiӋn mӝWFiFKÿӝc lұp và trung thӵc
TP Hӗ &Kt0LQKQJj\WKiQJQăP
Hӑc viên
NguyӉn Hӳu Luân
Trang 8Nguy͍n Hͷu Luân
DANH MӨC CÁC TӮ VIӂT TҲT xii
&KѭѫQJ GIӞI THIӊU VÀ TӘ1*48$1Ĉӄ TÀI 1
1.1 Bӕi cҧnh công nghӋ hiӋn nay 1
1.2 Sӵ phát triӇn cӫa công nghӋ vi mҥch bán dүn 2
1.3 Phҥm vi nghiên cӭu và cҩu trúc luұQYăQ 4
1.3.1 VӅ phҥm vi nghiên cӭu 4
1.3.2 VӅ cҩu trúc luұQYăQ 4
&KѭѫQJ3+Æ17Ë&+7+,ӂT Kӂ CÁC MODULE SUY HAO VÀ Dӎ&+3+$Ĉ$7ҪNG CHO CÁC Hӊ THӔNG THÔNG TIN SUB-6 GHz 5
2.1 Giӟi thiӋu chung 5
2.2 ThiӃt kӃ mҥFKVX\KDRÿDWҫng cho hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz 6
&ѫVӣ lý thuyӃt và yêu cҫXNƭWKXұt cho mҥFKVX\KDRÿDWҫng 6
2.2.2 VҩQÿӅ lӋch pha khi thiӃt kӃ khӕi suy hao 10
2.2.3 VҩQÿӅ NêVLQKWURQJOD\RXWÿӕi vӟi mҥFKVX\KDRÿDWҫng 13
2.2.4 So sánh giӳa kӃt quҧ mô phӓng và kӃt quҧ ÿRÿҥc 17
2.3 Phân tích, thiӃt kӃ mҥch dӏFKSKDÿDWҫng cho hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz 21
&ѫVӣ lý thuyӃt và yêu cҫXNƭWKXұt cho mҥch dӏFKSKDÿDWҫng 21
2.3.2 VҩQÿӅ ÿiQKÿәi giӳDSKDVHHUURUYjÿӝ suy hao 25
2.3.3 So sánh giӳa kӃt quҧ mô phӓQJYjÿRÿҥc 30
2.4 KӃt luұn 33
Trang 9Nguy͍n Hͷu Luân
&KѭѫQJ3+Æ17Ë&+9¬7+,ӂT Kӂ MҤCH KHUӂ&+ĈҤI CÔNG SUҨT CHO Hӊ THӔNG
THÔNG TIN SUB-6 GHz 34
3.1 Giӟi thiӋu chung 34
3.1.1 Các yӃu tӕ giӟi hҥQEăQJWK{QJ cӫa mӝt mҥch khuӃFKÿҥi 35
3.1.2 Các kiӃn trúc mҥch khuӃFKÿҥi công suҩWFyEăQJWK{QJUӝng 38
3.1.3 Lӵa chӑn kiӃn trúc thiӃt kӃ và yêu cҫXNƭWKXұt 41
&ѫVӣ lý thuyӃt xây dӵng mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 43
3.2.1 Giӟi hҥn theo lý thuyӃt mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 43
3.&iFÿӅ xuҩt cҧi tiӃn thiӃt kӃ mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 48
3.3 ThiӃt kӃ mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt phân tán 35W 50
3.3.1 VҩQÿӅ vӅ giӟi hҥQÿѭӡng dây truyӅn sóng 50
3.3.2 VҩQÿӅ vӅ khҧ QăQJFKӏu dòng tӕLÿDFӫa cuӝn cҧm 53
3.3.3 VҩQÿӅ vӅ tính әQÿӏnh cӫa mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt 55
3.3.4 KӃt quҧ Layout và post-layout mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 59
3.3.5 Mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt vi sai 63
DANH MӨC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HӐC 75
TÀI LIӊU THAM KHҦO 76
PHӨ LӨC A PHÂN TÍCH TӘ1+$29¬ĈӜ LӊCH PHA CӪA CÁC CÁCH MҲ&&Ѫ%ҦN 81 A.1 Linh kiӋn mҳc ӣ dҥng nӕi tiӃp 81
A.1.1 Vӟi Z là tө C 81
A.1.2 Vӟi Z là cuӝn L 82
A.2 Linh kiӋn mҳc ӣ dҥng Shunt 82
A.2.1 Vӟi Y là tө C 82
Trang 10Nguy͍n Hͷu Luân
A.2.2 Vӟi Y là cuӝn L 83
A.3 Ghép các linh kiӋn trӣ mҥch suy hao loҥLʌ7 84
B.2 Phân tích tín hiӋu áp WUrQÿѭӡng dây Gate Line 91
B.2.1 Tín hiӋu áp vào mӛi tҫng 91
B.2.2 Tín hiӋu áp vào mӛi linh kiӋn 91
%ĈLӅu kiӋn cӫa q 92
B.2.4 Tóm tҳWÿһFWtQKiSWUrQÿѭӡng gate-line 92
B.3 Phân tích tín hiӋXGzQJWUrQÿѭӡng Drain Line 92
B.3.1 Dòng ngõ ra cӫa mӛi FET ሺܫ݇ሻ 92
Trang 11Nguy͍n Hͷu Luân
DANH MӨC HÌNH
Hình 1-1 Mô tҧ tәng quát cho các kiӃn trúc hӋ thӕQJWKXSKiWEăQJWK{QJUӝng 1
Hình 1-2 Mô tҧ tәng quan kiӃn trúc thu phát cho các hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz 2
Hình 1-3 Mӕi quan hӋ giӳa công suҩt bão hòa vӟi các công nghӋ vi mҥch theo tҫn sӕ [3] 3
Hình 2-6ѫÿӗ tәng quan vӅ hӋ thӕng phase array [5] 5
Hình 2-2 Mӝt sӕ cҩXWU~FWKѭӡng gһp cӫa mҥch DSA (a) cҩu trúc phân tán, (b) cҩu trúc Switched-path, (c) Cҩu trúc Switched loҥi T và(d) cҩu trúc swithced loҥi ૈ 7
Hình 2-3 Mҥch suy hao dҥQJ7YjVѫÿӗ WѭѫQJÿѭѫQJFӫa mҥch khi (a) ӣ trҥng thái reference, (b) ӣ trҥng thái suy hao 8
Hình 2-4 Mҥch suy hao dҥng ૈYjVѫÿӗ WѭѫQJÿѭѫQJFӫa mҥch khi (a) ӣ trҥng thái reference, (b) ӣ trҥng thái suy hao 9
Hình 2-5 Mҥch reduced T-type giúp giҧm tәn hao tín hiӋu 10
Hình 2-6 So sánh tәn hao tín hiӋu và khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ 50ષ cӫa 2 cҩu trúc reduced T và mҥch T WK{QJWKѭӡng 10
Hình 2-7 Mҥch modified T-type giúp cân bҵng pha giӳa hai trҥng thái hoҥWÿӝng 11
Hình 2-8 So sánh tәn hao tín hiӋXYjÿӝ lӋch pha cӫa mҥch hình T và mҥch ghép 12
Hình 2-9 Mô hình mҥch switched path 12
Hình 2-10 kӃt quҧ mô phӓng tәn hao tín hiӋu và ÿӝ lӋch pha cӫa mҥch switched path 13
Hình 2-6ѫÿӗ cҳt lӟp cӫa công nghӋ GaAs 250 nm [24] 14
Hình 2-12 ThiӃt kӃ mҥch suy hao 0.5 dB ӣ dҥng (a) schematic, (b) schematic vӟi model interconnect, (c) fully layout 15
Hình 2-13 KӃt quҧ so sánh tәn hao tín hiӋXYjÿӝ lӋch pha cӫa tҫng suy hao 0.5dB 15
Hình 2-14 ThiӃt kӃ và sҳp xӃp 6 tҫng cӫa mҥch suy hao 16
Hình 2-&KLSVX\KDRÿDWҫng (a) sau NKLÿѭӧc chӃ tҥo và (b) bҧn layout thiӃt kӃ (2 mm x 4 mm) 17
Hình 2-16 KӃt nӕi giӳDERDUGÿLӅu khiӇn và board chip 18
Hình 2-17 Cҩu hình thӵc hiӋQÿRÿҥc on-wafer vӟi mҥch DSA 18
Hình 2-18 KӃt quҧ ÿRÿҥc và post-layout 19
Hình 2-19 Hai mҥng kiӃn trúc phә biӃn trong mҥch dӏch pha (a) mҥng nhúng hình T, (b) mҥch switched path 22
Hình 2-6ѫÿӗ mҥch all-pass ӣ trҥng thái reference và trҥng thái phase-shift 22
Hình 2-21 Cҩu trúc mҥch modified embeded FET 23
Trang 12Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 2-22 cҩu trúc thiӃt kӃ mҥch reduced phase shift 24
Hình 2-23 cҩu trúc mҥng thông thҩp/thông cao 25
Hình 2-24 ghép các tҫng dӏch pha trên schematic 25
Hình 2-25 Các kӃt quҧ mô phӓng schematic ӭng vӟi testbench trong Hình 2-24 26
Hình 2-26 Cҩu trúc switch path sӱ dөng các tҫng all pass 26
Hình 2-27 KӃt quҧ so sánh giӳa cҩu trúc hai tҫng APN, và ba tҫng LP/HP 27
Hình 2-28 KӃt quҧ mô phӓng ghép nӕi nhiӅu tҫng vӟi cҩu trúc mӟi all-pass 27
Hình 2-29 Testbench kiӇm tra chҩWOѭӧng cuӝn cҧm schematic và sau khi mô phӓng EM 28
Hình 2-30 BҧQOD\RXWÿҫu tiên cӫa mҥch dӏFKSKD NtFKWKѭӟc 6.3 x 1.8 ܕܕ) .29
Hình 2-31 KӃt quҧ post layout sau khi trích xuҩt ký sinh Hình 2-30 29
Hình 2-32 Layout hoàn chӍnh cӫa mҥch dӏch pha (DPS) và chip thành phҭPWѭѫQJӭng cӫa band 1 4 GHz) và band 2 (4-6 GHz) 30
(2.4-Hình 2-33 So sánh kӃt quҧ mô phӓng và kӃt quҧ ÿRÿҥc cӫa hai chip DPS Band 1, Band 2 31
Hình 3-1 Mҥch khuӃFKÿҥi sӱ dөng công nghӋ các ӕng chkQNK{QJÿѭӧc chӃ tҥRQăP >@ 34
Hình 3-6ѫÿӗ tín hiӋu nhӓ cӫa mӝWWUDQVLVWRUÿѫQJLҧn .35
Hình 3-7HVWEHQFK[iFÿӏnh tҫn sӕ cҳt ܂ 36
Hình 3-4 Cҩu trúc cӫa mҥch khuӃFKÿҥLWK{QJWKѭӡng 37
Hình 3-ĈiSӭng tҫn sӕ cӫa mҥch phӕi hӧp trӣ NKiQJOêWѭӣng .37
Hình 3-6 MMIC Power amplifier (a) [31], và (b) [33] 38
Hình 3-7 Mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt phân tán 39
Hình 3-8 (a)4-19 GHz NDPA [39] (b) 1.5-17 GHz NDPA[40] 40
Hình 3-9 Cҩu trúc mӝt mҥch NDPA 40
Hình 3-6ѫÿӗ công suҩt cho mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt vi sai 42
Hình 3-11 (a) Cҩu trúc cӫDÿѭӡng dây nhân tҥo, (b) cҩu trúc mӝWÿѫQYӏ hình T 44
Hình 3-12 CҩXWU~FÿѫQYӏ cӫDÿѭӡng dây gate-line và drain-line 45
Hình 3-6ѫÿӗ tín hiӋu nhӓ AC cӫa mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 47
Hình 3-6ѫÿӗ tín hiӋu nhӓ cӫa cҩXWU~FÿӅ xuҩt 48
Hình 3-15 Mһt cҳt các lӟp trong công nghӋ GaN 450nm 50
Hình 3-16 Giӟi hҥn hҩp thө ký sinh cӫDÿѭӡng dây truyӅn sóng (a) trӣ NKiQJÿһc tính ࢆ, (b) phase cӫa trӣ kháng ngõ ra .51
Hình 3-17 Testbench so sánh giӳa hai cҩu trúc sӱ dөng cuӝn cҧm vjÿѭӡng dây truyӅn sóng .52
Trang 13Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 3-18 So sánh kӃt quҧ GQJÿѭӡng dây truyӅn sóng và dùng cuӝn cҧm 53
Hình 3-19 Giá trӏ ÿLӋn cҧm tӕLÿDFyWKӇ thiӃt kӃ ӭng vӟLFiFÿӝ rӝng khác nhau cӫa cuӝn cҧm 54
Hình 3-6ѫÿӗ tín hiӋu nhӓ vӟi thành phҫn tө ࢍࢊ D YjVѫÿӗ phân tích trӣ kháng ngõ vào ࢆ (b) 55
Hình 3-21 Testbench hoàn chӍnh mҥch khuӃFKÿҥi phân tán 57
Hình 3-22 KӃt quҧ mô phӓng return loss ࡿ và ࡿ theo tҫn sӕ YjÿLӅu kiӋn phân cӵc cӫa thiӃt kӃ 8 tҫng trong Bҧng 3-6 58
Hình 3-23 KӃt quҧ mô phӓng hӋ sӕ phҧn xҥ ࡿ và ࡿ khi giҧm các giá trӏ trӣ ࡾ࢙࢚ࢇ࢈ xuӕng còn ષ .58
Hình 3-24 Layout mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt phân tán cân bҵng (4500 x 2000 ࣆ) 60
Hình 3-25 Mô phӓng return loss S(1,1) và S(2,2) vӟi nhiӅXÿLӅu kiӋn hoҥWÿӝng 60
Hình 3-26 KӃt quҧ mô phӓng thông sӕ S, và dòng tiêu thө cӫa mҥch 61
Hình 3-27 KӃt quҧ mô phӓng tín hiӋu lӟn 62
Hình 3-28 Testbench mҥch khuӃFKÿҥi vi sai vӟi mҥch UDPA 63
Hình 3-29 So sánh hiӋu suҩt PAE và khҧ QăQJWULӋt hài bұc hai cӫa mҥch UDPA và mҥch vi sai 64
Hình 3-30 KӃt quҧ tín hiӋu lӟn cӫa mҥch khuӃFKÿҥi vi sai 64
Hình 3-31 Balun-off-Chip trên thӏ WUѭӡng 65
Hình 3-6ѫÿӗ (a) mҥch direct coupler và (b) mҥch marchand Balun 66
Hình 3-33 ThiӃt kӃ mҥch balun-on-chip 68
Hình 3-34 Khҧ QăQJKRҥWÿӝng cӫa Balun .68
Hình 3-35 Testbench mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt vi sai vӟi balun-on-chip 69
Hình 3-36 KӃt quҧ mô phӓng mҥch khuӃFKÿҥi vi sai vӟi balun-on-chip 69
Hình A-6ѫÿӗ linh kiӋn ӣ hai dҥng mҳFFѫEҧn (a) mҳc nӕi tiӃp và (b) mҳc shunt 81
Hình A-+DLP{KuQKFѫEҧn cӫa mҥch suy hao ሺૈȀ܂ሻ 84
Hình B-1 CҩXWU~FÿѫQYӏ ÿѭӡng dây gate-line 87
Hình B-6ѫÿӗ cҩu hình tәng quát mҥch phân tán 1 91
Hình B-3 6ѫÿӗ dòng phҧn xҥ và dòng tӟi 95
Trang 14Nguy͍n Hͷu Luân
DANH MӨC BҦNG
Bҧng 2-1 Yêu cҫXNƭWKXұt vӟi chip suy hao 6
Bҧng 2-2 Bӝ giá trӏ trӣ theo lý thuyӃt ӭng vӟi các mӭc suy hao 9
Bҧng 2-3 Tәng kӃt thiӃt kӃ cӫa các tҫng suy hao .13
Bҧng 2-4 So sánh giӳa chip suy hao vӟi các chip khác trên thӏ WUѭӡng 20
Bҧng 2-5 Yêu cҫXNƭWKXұt vӟi chip dӏch pha 21
Bҧng 2-6 Bҧng so sánh thiӃt kӃ hai chip dӏch pha vӟLFiFFKLSWKѭѫQJPҥi 32
Bҧng 3-1 Yêu cҫXNƭWKXұWÿӕi vӟi mҥch khuӃFKÿҥi công suҩWEăQJWK{QJUӝng 42
Bҧng 3-2 Yêu cҫXNƭWKXұWÿӕi vӟi mҥch khuӃFKÿҥLSKkQWiQÿѫQFӵc 43
Bҧng 3-3 Giá trӏ ký sinh ӭng vӟi các linh kiӋn tҥi tҫn sӕ 6 GHz, Pin=25 dBm 46
Bҧng 3-4 Giӟi hҥn thӵc tӃ FiFÿѭӡng kim loҥi cӫa công nghӋ GaN 450nm 51
Bҧng 3-5 Mô tҧ NtFKWKѭӟc vұt lý cӫa các linh kiӋn trong Hình 3-17 52
Bҧng 3-6 Khҧo sát sӕ Oѭӧng các tҫng khuӃFKÿҥi vӟi giá trӏ linh kiӋQÿmÿѭӧc tӕLѭXWUrQVFKHPDWLF 54
Bҧng 3-7 Bҧng giá trӏ các linh kiӋn sau khi tӕLѭXPҥch .59
Bҧng 3-8 Bҧng tóm tҳt kӃt quҧ post-layout cӫa mҥch khuӃFKÿҥLSKkQWiQÿѫQFӵc 62
Bҧng 3-9 Bҧng tóm tҳt kӃt quҧ post-layout cӫa mҥch khuӃFKÿҥi phân tán vi sai 65
Bҧng A-1 Tóm tҳt ҧQKKѭӣng vӅ tәQKDRÿӝ lӋch pha cӫa các dҥng mҳc 83
Bҧng A-2 tóm tҳt các thông sӕ thiӃt kӃ cho mҥng trӣ ૈȀ܂ 85
Bҧng B-1 Tóm tҳWFiFÿһc tính cӫDÿѭӡng dây nhân tҥo gate-line và drain-line 90
Bҧng B-ĈLӋn áp vào cӫa các tҫng 91
Bҧng B-3 Tóm tҳWÿһFWtQKiSWUrQÿѭӡng gate-line 92
Bҧng B-4 tóm tҳt tín hiӋXGzQJWUrQÿѭӡng drain-line 94
Bҧng B-5 Bҧng tәng kӃt các tham sӕ thiӃt kӃ 97
Trang 15Nguy͍n Hͷu Luân
DANH MӨC CÁC TӮ VIӂT TҲT
Trang 16Nguy͍n Hͷu Luân
&KѭѫQJ GIӞI THIӊU VÀ TӘ1*48$1Ĉӄ TÀI 1.1 Bӕi cҧnh công nghӋ hiӋn nay
Khi hӋ thӕng mҥQJ*UDÿӡi và phát triӇn mҥnh mӁ, cùng vӟi các phә tҫn sӕ và hӋ thӕng chuҭn mӟLÿmÿHPOҥi nhiӅu thách thӭc trong viӋc hiӋn thӵc hóa các thiӃt bӏ ÿҫu cuӕi 9jWURQJWѭѫQJODLNKLPҥng viӉn thông ngày càng phát triӇn, thì kiӃn trúc cӫa các máy thu SKiWFNJQJQJj\FjQJWLQKYLYjSKӭc tҥSKѫQ
9jQKѭVӵ phát triӇn tҩt yӃu trong kiӃn trúc thu phát, yêu cҫu vӅ mӝt hӋ thӕng có khҧ QăQJKRҥWÿӝng trong nhiӅu miӅn tҫn sӕ và nhiӅu chӃ ÿӝ hoҥWÿӝng trӣ WKjQK[XKѭӟng mӟi trong hӋ thӕng viӉn thông [1] Hình 1-1 ErQGѭӟLWUuQKEj\Vѫÿӗ tәng quan mӝt kiӃn trúc WKXSKiWEăQJWK{QJUӝQJWURQJÿyVӱ dөng nhiӅu module off-chip có khҧ QăQJWLQKFKӍnh WXQDEOH ÿӇ WKD\ÿәi tҫn sӕ hoҥWÿӝng cӫa toàn hӋ thӕng
Frac-N PLLReceiver
Power AmplifierTunable filterTunable matching
Hình 1-1 Mô tҧ tәng quát cho các kiӃn trúc hӋ thӕQJWKXSKiWEăQJWK{QJUӝng
Tuy nhiên viӋc nhúng càng nhiӅu các module off-chip khiӃn cҧ hӋ thӕng trӣ nên cӗng kӅnh, ngoài ra trong quá trình hoҥWÿӝng ӣ tҫn sӕ cao, sӵ mҩt phӕi hӧp giӳa các module gây tәn hao và sái dҥng tín hiӋu Sӵ mҩt phӕi hӧp này càng nghiêm trӑQJKѫQNKLFjQJQKLӅu PRGXOHÿѭӧc nhúng Thách thӭFÿһt ra khi yêu cҫu vӅ mӝt hӋ thӕng thu phát nhӓ gӑn và sӱ dөng ít các module nhҩt có thӇĈLӅu này dүQÿӃQ[XKѭӟng tích hӧp tҩt cҧ module trên chip
Trang 17Nguy͍n Hͷu Luân
Thách thӭFQj\ÿzLKӓi các module chӭFQăQJSKҧLÿѭӧc thiӃt kӃ FyÿiSӭng tҫn sӕ rӝQJÿӇ hӛ trӧ thu phát cho nhӳng hӋ thӕng chip multi-mode/multi-EDQGPjNK{QJÿiQKÿәi quá nghiêm trӑng vӟi các thông sӕ hӋ thӕng khác Hình 1-2 ErQGѭӟi mô tҧ mӝt kiӃn trúc thu phát tәng quan cho các hӋ thӕng thông tin sub-*+]WURQJÿyPRGXOHNKXӃFKÿҥi công suҩWÿѭӧc thiӃt kӃ FyEăQJWK{QJOӟn vӟi trӣ kháng chuҭn hóa 50ȳGRÿyORҥi bӓ ÿѭӧc các module hӛ trӧ phӕi hӧp trӣ kháng vào ra
PA module
LNA,PA,T/R Switch module
Phase Shifter
CMOS Transceiver
To antenna Array
Driver Attenuator
Transmit Chain
Hình 1-2 Mô tҧ tәng quan kiӃn trúc thu phát cho các hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz
;XKѭӟng thiӃt kӃ các module công suҩWEăQJthông rӝng không chӍ xuҩt hiӋn trong các hӋ thӕng viӉQWK{QJPjFzQÿѭӧc ӭng dөng trong các hӋ thӕng radar, hӋ thӕng truyӅn WK{QJYNJWUө, và làm thiӃt bӏ gây nhiӉu trong các hӋ thӕng quân sӵ [2]
Trong thӵc tӃ giӟi hҥQEăQJWK{QJҧQKKѭӣng rҩt lӟn tӯ các công nghӋ chӃ tҥo Vӟi mӝt công nghӋ chӃ tҥRFKRWUѭӟc, thì tích ܩܽ݅݊ ڄ ܤܹ là mӝt hҵng sӕ [3]GRÿyNKLEăQJWK{QJÿѭӧc chú trӑng trong quá trình thiӃt kӃ, thì vӅ tәng thӇ ÿӝ lӧi toàn mҥch giҧm, và công suҩWQJ}UDNK{QJÿҥt yêu cҫu cӫa hӋ thӕng Tuy nhiên cùng mӝt công nghӋ, sӵ ÿiQKÿәi vӅ ÿӝ lӧLYjEăQJWK{QJ khác nhau tùy vào kiӃn trúc mҥFKÿѭӧc sӱ dөng và kinh nghiӋm cӫa QJѭӡi thiӃt kӃ
1.2 Sӵ phát triӇn cӫa công nghӋ vi mҥch bán dүn
Sӵ phát triӇn cӫa công nghӋ vi mҥch bán dүn, là mӝt trong nhӳng yӃu tӕ ÿyQJJySVӵ thành công trong viӋc phát triӇn hӋ thӕQJWK{QJWLQQJj\QD\Ĉһc biӋt vӟi sӵ phát triӇn cӫa nhóm công nghӋ bán dүn III-V, bao gӗm các công nghӋ ,Q3*D$VYj*D1ÿmPӣ ra nhӳng ӭng dөng mӟi trong các hӋ thӕng cao tҫn công suҩt lӟn giúp mӣ rӝng phát triӇn hӋ thӕng thông tin viӉn thông
Trang 18Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 1-3 GѭӟLÿk\ÿѭӧc xây dӵng bҵng cách tәng hӧSKѫQEjLEiRPҥch PA tӯ các hӝi nghӏ và tҥp chí [3], sӱ dөQJSKѭѫQJSKiSWKӕQJNrÿӇ xây dӵng giӟi hҥn công suҩt bão hòa ngõ ra ӭng vӟi các công nghӋ chӃ tҥRJL~SÿӏQKKѭӟng, lӵa chӑn công nghӋ phù hӧp vӟi ӭng dөQJYjEăQJWҫn thiӃt kӃ
Dӵa trên các phân tích trên, công nghӋ III-9FyѭXÿLӇPYѭӧt trӝi vӅ công suҩt bão hòa ngõ ra, và có vùng tҫn sӕ hoҥWÿӝng rӝQJ'RÿyFKLSKtFKӃ tҥRWKѭӡQJÿҳWÿӓ KѫQVRvӟi công nghӋ CMOS Các nӝi dung nghiên cӭXÿѭӧFWUuQKEj\GѭӟLÿk\Vӱ dөng công nghӋ III-V cӫa hãng Win Semiconductor.
Trang 19Nguy͍n Hͷu Luân
1.3 Phҥm vi nghiên cӭu và cҩu trúc luұQYăQ
1.3.1 V͉ ph̩m vi nghiên cͱu
Mөc tiêu cӫa luұQYăQgӗm hai phҫn chính: thӭ nhҩt nghiên cӭu và tìm hiӇu vӅ ҧnh Kѭӣng tӯ công nghӋ III-V ÿӃn chҩWOѭӧng cӫa tín hiӋu, thӭ hai là ӭng dөng công nghӋ III-V trong viӋc giҧi quyӃt bài toán ܩܽ݅݊ ڄ ܤܹ cӫa mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt siêu cao tҫn
Dӵa trên nhӳng mөc tLrXÿѭӧFÿӅ ra, phҥm vi nghiên cӭu cӫa luұQYăQÿӕi vӟi phҫnÿҫu tiên là thiӃt kӃ, mô phӓng, layout, post-layout và gӱLÿLFKӃ tҥo hai mҥFKSDVVLYHFѫEҧn (mҥch suy hao và mҥch dӏch pha) Phҫn thӭ FNJQJOjPөc tiêu chính cӫa luұQYăQVӱ dөng các kinh nghiӋm thu ÿѭӧc, ӭng dөng vào thiӃt kӃ, mô phӓng, layout và post-layout mҥch khuӃFKÿҥi công suҩWEăQJWK{QJUӝng cho hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz
VӅ SKѭѫQJ WLӋn nghiên cӭu, luұQ YăQ Vӱ dөng công cө mô phӓng ADS (Advanced GHVLJQV\VWHP ÿӇ thӵc hiӋn mô phӓng và layout
1.3.2 V͉ c̭u trúc lu̵QYăQ
Nӝi dung nghiên cӭu gӗPFiFFKѭѫQJVDX, &KѭѫQJ2 trình bày quá trình thiӃt kӃ vi mҥch sӱ dөng công nghӋ III-V, ӭng dөng cө thӇ vӟi hai khӕLÿLӅu khiӇQELrQÿӝ và pha cӫa mӝt tín hiӋu Các phép so sánh giӳa kӃt quҧ mô phӓng và kӃt quҧ ÿRÿҥFÿѭӧc tәng hӧp và trình bày Tӯ ÿySKҫn kӃt cӫDFKѭѫQJÿѭDUDFiFNLQKQJKLӋm và giӟi hҥn trong viӋc thiӃt kӃ mҥch tích hӧp
&KѭѫQJ trình bày các nghiên cӭXÿiQKJLiYjOӵa chӑn cҩu trúc phù hӧp cho mҥch khuӃFKÿҥi công suҩWEăQJWK{QJUӝng trong hӋ thӕng thông tin sub- *+]Ĉӗng thӡi thӵc hiӋn thiӃt kӃ, mô phӓng layout và post-layout Ngoài ra viӋc thiӃt kӃ mҥch balun-on-chip FNJQJÿѭӧc trình bày nhҵPÿiQKJLiNKҧ QăQJWtFKKӧp vӟi mҥch khuӃFKÿҥi công suҩt
&KѭѫQJ trình bày nhӳng thách thӭc trong vi mҥFKÿmÿѭӧc giҧi quyӃWFNJQJQKѭnhӳng mһt hҥn chӃ trong quá trình nghiên cӭu, ngoài ra Kѭӟng phát triӇn tiӃp theo cӫDÿӅ tài FNJQJÿѭӧFÿӅ xuҩt
Trang 20Nguy͍n Hͷu Luân
&KѭѫQJ PHÂN TÍCH, THIӂT Kӂ CÁC MODULE SUY
HAO VÀ Dӎ&+3+$Ĉ$7ҪNG CHO CÁC Hӊ THӔNG THÔNG TIN SUB-6 GHz
2.1 Giӟi thiӋu chung
HiӋn nay sӵ bùng nә cӫa hӋ thӕng thông tin, và sӵ JLDWăQJPҥnh mӁ sӕ Oѭӧng các kӃt nӕLGLÿӝQJÿmPDQJOҥi lӧi ích vô cùng lӟn cho sӵ phát triӇn cӫa thành phӕÿLNqPWKHRÿyFNJQJOjQKӳng thách thӭc mӟi khi hӋ thӕng mҥng viӉn thông ngày càng phӭc tҥp và tinh vi KѫQÿLӅXQj\ÿmWK~Fÿҭy và thu hút rҩt nhiӅu nghiên cӭu vӅ các giҧi pháp mҥng viӉn thông 7URQJÿySKDVHDUUD\ÿѭӧF[HPQKѭOjPӝt giҧi pháp trӑng yӃXÿiSӭQJÿѭӧc nhu cҫu sӱ dөng to lӟn trong mҥQJGLÿӝng ngày nay Hình 2-1 ErQGѭӟi mô tҧ tәng quan vӅ hӋ thӕng phase array
RF transmitter
Phase shifterAttenuator
Phase shifter
Antenna element
Antenna element
Phase array system
Hình 2-1 6ѫÿӗ tәng quan vӅ hӋ thӕng phase array [5]
HӋ thӕng phase array vӅ FѫEҧn gӗm hai module chính là module attenuator và module SKDVHVKLIWHUWѭѫQJӭng vӟi chӭFQăQJ ÿLӅu khiӇQELrQÿӝ và pha cӫa tín hiӋu cҫn truyӅn 7X\QKLrQQKѭÿmÿӅ cұp trong &KѭѫQJ, hӋ thӕng phase array không nҵm trong mөc tiêu mà luұQYăQKѭӟng tӟi, mà tұp trung vào qui trình thiӃt kӃ vi mҥch sӱ dөng công nghӋ mӟi III-V, tҥREѭӟFÿӋm trong viӋc phát triӇn thiӃt kӃ mҥch khuӃFKÿҥi ӣ &KѭѫQJ
Trang 21Nguy͍n Hͷu Luân
'RÿyPѭӧn bӕi cҧnh tәng quan vӅ hӋ thӕng phase array, &KѭѫQJ tұp trung trình bày thiӃt kӃ hai mҥFKSDVVLYHFѫEҧn, bao gӗm mҥch suy hao và mҥch dӏFKSKDÿDWҫng
2.2 ThiӃt kӃ mҥFKVX\KDRÿDWҫng cho hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz
2.2.1 &˯Vͧ lý thuy͇t và yêu c̯u kƭ thu̵t cho m̩FKVX\KDRÿDW̯ng
Ĉһt trong bӕi cҧnh hӋ thӕng phase array, mҥch suy hao phҧLÿѭӧc thiӃt kӃ vӟi nhiӅu mӭFÿLӅu khiӇQJL~SELrQÿӝ cӫa tín hiӋu có thӇ WKD\ÿәi mӝWFiFKOLQKÿӝng VӅ yêu cҫXNƭthuұt, nghiên cӭu thӵc hiӋn khҧo sát thông sӕ các con chip trên thӏ WUѭӡng YjÿѭDUDEӝ yêu cҫu thông sӕ NƭWKXұWQKѭVDX
Bҧng 2-1 Yêu cҫXNƭWKXұt vӟi chip suy hao
Dӵa trên yêu cҫu vӅ ÿӝ suy hao tӕLÿDYjÿӝ mӏn cӫa mӛi lҫn chuyӇn trҥng thái, sӕ ELWÿLӅu khiӇn cҫn thiӃt kӃ OjELWVWѭѫQJӭng vӟi 6 tҫng suy hao lҫQOѭӧt là 0.5 dB; 1 dB; 2 dB; 4 dB; 8 dB và 16 dB VӟLELWVÿLӅu khiӇn, tәng cӝng có ʹ ൌ Ͷ trҥng thái suy hao Ĉӝ suy hao lӟn nhҩWÿҥWÿѭӧFOjG%Yjÿӝ suy hao nhӓ nhҩt là 0.5 dB, tuy nhiên trong thӵc tӃ tәn hao tín hiӋu ÿӃn tӯ sӵ SKLOêWѭӣng cӫa các linh kiӋnGRÿyWӕLѭXÿӇ giҧm thiӇu Oѭӧng tәn hao Qj\OjѭXWLrQKjQJÿҫu, khҧo sát FiFFKLSWKѭѫQJ mҥi WKuÿӝ tәn hao tӕLÿD là 4.5 dB Ngoài ra chӭFQăQJFKtQKFӫa mҥFKVX\KDROjÿLӅu khiӇQELrQÿӝ tín hiӋu cҫn truyӅn, GRÿyÿӝ lӋch pha gây ra bӣi mҥFKVX\KDRFNJQJFҫQÿѭӧc tӕLѭXQKӓ nhҩt có thӇ Khҧo sát các bài báo hiӋn nay, vӟi mҥch suy hao passive có tәng cӝng bӕn loҥi cҩu trúc [5@ÿѭӧc thӇ hiӋn trong Hình 2-2
Trang 22Nguy͍n Hͷu Luân
Resistive network
Resistive networkRp
Cҩu trúc Switched-path tҥRUDKDLQKiQKWKURXJKYjQKiQKVX\KDRÿѭӧFÿLӅu khiӇn bӣi SPDT (Single pole double throw) Switches Vӟi lӧi thӃ cӫDKDLÿѭӡng tín hiӋu riêng lҿ, ÿӝ suy hao cӫa mӛi trҥQJWKiLÿѭӧFÿLӅu khiӇn chính xác, vӟLÿӝ lӋch pha thҩp Tuy nhiên viӋc chèn thêm hai SPDT switches ӣ ngõ vào và ra, gây ra tәn hao tín hiӋu lӟn
Lӧi thӃ ӣ cҩu trúc ߨȀܶ thì FNJQJJLӕng cҩu trúc Switched-SDWKQKѭÿӝ sai lӋch trong suy hao và lӋch pha nhӓ, ngoài ra do chӍ chӭa mӝt switch trên nhánh tín hiӋu chính nên tәn hao tín hiӋu FNJQJ nhӓ KѫQ7X\QKLrQYLӋc nhúng switch vào mҥchÿmELӃn các switches trӣ thành mӝt phҫn cӫa mҥFKVX\KDRÿLӅu này khiӃn mҥch suy hao trӣ nên sai lӋFKKѫQӣ tҫn sӕ FDRGRÿһc tính ký sinh cӫa các VZLWFKHVJk\UDĈһc biӋt ӣ các tҫng suy hao lӟn, thì giӟi hҥn vӅ EăQJWK{QJFӫa cҩu trúc này càng rõ ràng
;XKѭӟng thiӃt kӃ mҥch suy hao trong nhӳQJQăPJҫQÿk\ÿӅu tұp trung vào cҩu trúc ߨȀܶ, và ÿѭDUDFiFJLҧi pháp ÿӇ khҳc phөFQKѭӧFÿLӇPEăQJWK{QJFӫa mҥch [5], [8] Hình
Trang 23Nguy͍n Hͷu Luân
2-3 ErQGѭӟi mô tҧ hoҥWÿӝng cӫa mҥch suy hao loҥi T trong hai trҥng thái reference và trҥng thái Attenuation
Ӣ trҥng thái reference, giá trӏ ܴ௦ ÿѭӧc thiӃt kӃ nhӓ nhҩt ÿӇ bypass mҥng trӣ ErQGѭӟi, GRÿytӕi thiӇu hóa tәn hao tín hiӋXĈӗng thӡi giá trӏ ܥ ÿѭӧc thiӃt kӃ có giá trӏ nhӓ nhҩt giúp giҧm tәn hao tín hiӋu1Jѭӧc lҥi, ӣ trҥng thái Attenuation giá trӏ ܥ௦ ÿѭӧc thiӃt kӃ nhӓ nhҩt có thӇÿӇ QJăQNK{QJE\SDVVPҥng trӣ hình T và cҧi thiӋn khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ kháng vӅ 50ȳ, ÿӗng thӡi giá trӏ ܴ là nhӓ nhҩWÿӇ tӕLѭXKyDVDLVӕ cӫa suy hao Trong thӵc tӃ, viӋc ÿҥWÿӗng thӡi giá trӏ R và C nhӓ là không thӇ, bӣi giá trӏ ký sinh trong switches tӍ lӋ thuұn WKHRNtFKWKѭӟc cӫa switches Giá trӏ trӣ ܴଵ và ܴଶ cҫn thiӃWÿӇ ÿҥWÿѭӧFÿӝ suy hao A (dB) cӫa mҥng trӣ KuQK7ÿѭӧc biӇu diӉQQKѭErQGѭӟi, chӭQJPLQKFiFSKѭѫQJWUuQKGѭӟLÿk\ÿӅXÿѭӧc trình bày ӣ PHӨ LӨC A
Trang 24Nguy͍n Hͷu Luân
Referenece StateAttenuation State
Hình 2-4 Mҥch suy hao dҥng ૈYjVѫÿӗ WѭѫQJÿѭѫQJFӫa mҥch khi
(a) ӣ trҥng thái reference, (b) ӣ trҥng thái suy hao
Bҧng 2-2 Bӝ giá trӏ trӣ theo lý thuyӃt ӭng vӟi các mӭc suy hao Mҥng trӣ R (ષሻ Giá trӏ suy hao (dB)
ܴଶ 16.3 47.3 104.8 215.2 433.3 868.1 ߨ ܴଵ 153.8 52.8 23.85 11.6 5.77 2.88
ܴଶ 68.8 116.4 221 436.2 869.5 1737.7
VӅ lý thuyӃt mҥng ߨ và mҥQJ7ÿӅu có cҩXWU~Fÿӕi xӭQJGRÿyNK{QJFyVӵ khác biӋt quá lӟn vӅ khҧ QăQJKRҥt ÿӝng Tuy nhiên, các giá trӏ trӣ series ܴଵ trong mҥng ߨ có giá trӏ lӟQKѫQVRYӟi mҥng T, dүQÿӃn chiӅu dài cӫa trӣ trong mҥng ߨ lӟQKѫQNKLKRҥWÿӝng cùng mӝt công suҩWQJ}YjR'RÿyÿӇ tӕLѭXNêVLQKWURQJWUӣ, và giҧm diӋn tích tӕLÿDNKLlayout, cҩu trúc mҥQJ7ÿѭӧFѭXWLrQKѫQ
Vӟi các tҫng có mӭc suy hao thҩp (1dB, 0.5dB) thì giá trӏ trӣ series (ܴଵ) có giá trӏ nhӓ ሺ൏ ͵ȳሻGRÿyQKѭP{Wҧ trên Hình 2-5 ErQGѭӟi cҩu trúc mҥch T WK{QJWKѭӡng ÿѭӧc chuyӇn thành mҥch reduced-T [8]
Trang 25Nguy͍n Hͷu Luân
OutReduced T-type
Hình 2-5 Mҥch reduced T-type giúp giҧm tәn hao tín hiӋu
ViӋc bӓ ÿLVZLWFKܯଵ giúp giҧPÿLÿiQJNӇ tәn hao cӫa tín hiӋu Tuy nhiên mҥch không còn giӳ ÿѭӧFÿӝ cân bҵng giӳa ngõ vào và ra, GRÿy giҧm khҧ QăQJ phӕi hӧp trӣ kháng Cҩu trúc này chӍ phù hӧp vӟi các mӭc suy hao thҩp, có giá trӏ trӣ series ܴଵ nhӓ và không gây ҧQKKѭӣQJÿiQJNӇ lên khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ kháng Hình 2-6 GѭӟLÿk\P{Wҧ ҧQKKѭӣng cӫa viӋc bӓ trӣ series lên khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ kháng cӫa mҥch suy hao 0.5 dB
Hình 2-6 So sánh tәn hao tín hiӋu và khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ 50ષ cӫa 2 cҩu trúc
reduced T và mҥFK7WK{QJWKѭӡng
Mҥch reduced -T giҧPÿѭӧc tәn hao tín hiӋu 0.3 dB, tuy nhiên phҧLÿiQKÿәi 3.5 dB return loss Mһc dù vұy khҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ kháng cӫa mҥch reduced T-type vүn tӕt khi UHWXUQORVVÿҥWÿѭӧc െʹ͵݀ܤ trong khoҧng EăQJWK{QJUӝng
2.2.2 V̭Qÿ͉ l͏ch pha khi thi͇t k͇ kh͙i suy hao
1KѭÿmWUuQKEj\WURQJSKҫn 2.2.1, tӕLѭXJLҧm thiӇu tәn hao tín hiӋu do kí sinh gây ra là ѭXWLrQKjQJÿҫu, tuy nhiên sӵ lӋch pha cӫa tín hiӋXFNJQJFҫQÿѭӧc quan tâm và tӕLѭX Ӣ cҩu trúc mҥch T/ߨ ÿѭӧc sӱ dөng có nhúng vào các switches ܯଵ và ܯଶ, dүQÿӃn mҥch có ÿiSӭng pha khác nhau tùy vào trҥng thái hoҥWÿӝng Cө thӇ QKѭVDXFҩu trúc mҥFKWѭѫQJ
Trang 26Nguy͍n Hͷu Luân
ÿѭѫQJWURQJWUҥng thái reference chӭa tө shunt ܥGRÿyPҥch Fyÿһc tính cӫa mӝt mҥch lӑc thông thҩp, và làm trӉ pha tín hiӋu ሺߠ൏ Ͳሻ9jQJѭӧc lҥi ӣ trҥng thái suy hao, mҥch WѭѫQJÿѭѫQJFyJLiWUӏ tө series ܥ௦ ký sinh cӫa switch ܯଵGRÿyPҥFKFyÿһc tính cӫa mӝt mҥch lӑc thông cao, khiӃn tín hiӋu bӏ sӟm pha ሺߠ௧௧௧ Ͳሻ
Ĉӝ lӋch pha cӫa tín hiӋXÿѭӧFÿӏQKQJKƭDOjÿӝ sai lӋFKWѭѫQJÿӕi vӅ pha giӳa tín hiӋu suy hao và tín hiӋXUHIHUHQFH'RÿyYӟi cҩu trúc mҥch ܶ, ÿӇ ÿҥWÿѭӧc hiӋu pha giӳa hai tín hiӋu bҵng 0, thì giá trӏ tө ký sinh ܥ và ܥ௦ phҧi nhӓ nhҩt có thӇ Tuy nhiên viӋc thiӃt kӃ FiFVZLWFKHVFyNtFKWKѭӟc nhӓ ÿӇ giҧm thiӇu tө ký sinh, WKuÿӗng thӡi trӣ NêVLQKWăQJOrQ 'RÿyWӕLѭXÿӗng thӡLÿӝ lӋch pha giӳa hai trҥng thái và giҧm thiӇu tәn hao tín hiӋu là không thӇ vӟi cҩu trúc mҥch ܶ
ĈӇ cân bҵng phase ӣ hai trҥng thái hoҥWÿӝng, tө bù ܥ ÿѭӧc gҳn song song vӟi ܴଶ, giúp giҧPÿӝ sӟm pha cӫa tín hiӋu ӣ trҥng thái suy hao Cҩu trúc có gҳn thêm tө Eÿѭӧc gӑi là modified T-type [8@QKѭP{Wҧ trong Hình 2-7
Conventional T-type
Hình 2-7 Mҥch modified T-type giúp cân bҵng pha giӳa hai trҥng thái hoҥWÿӝng
Tuy nhiên tө bù ܥ có tác dөng làm WăQJÿӝ trӉ pha ӣ trҥng thái reference Vӟi giá trӏ tө bù ܥ ÿӫ nhӓ, khҧ QăQJJLҧPÿӝ sӟm pha ӣ trҥng thái suy hao hiӋu quҧ KѫQVRvӟi trҥQJWKiLUHIHUHQFHGRÿyÿӝ lӋch pha cӫa mҥch giҧm Cҩu trúc modified tuy có thӇ bù SKDQKѭQJFKӍ phù hӧp vӟi các tҫQJFyÿӝ suy hao thҩp, giá trӏ các tө ký sinh không quá nghiêm trӑng Vӟi tҫng VX\KDRFDRKѫQthì tө bù ܥ NK{QJFzQÿӫ khҧ QăQJÿӇ bù lҥi pha cӫa tín hiӋu
Trang 27Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 2-8 So sánh tәn hao tín hiӋXYjÿӝ lӋch pha cӫa mҥch hình T và mҥch ghép
Ĉѭӧc thӇ hiӋn trên Hình 2-8 bên trên, cҩu trúc T cӫa mҥch suy hao 16 dB và cҩu trúc 16 dB bҵng cách ghép lҥi hai tҫng 8 dB, cùng vӟi giá trӏ tӕLѭX cӫa tө bù ܥFNJQJNK{QJthӇ bù lҥLÿӝ lӋch pha do ký sinh gây ra [9], [10] Ĉӝ lӋch pha thҩp nhҩt ÿҥWÿѭӧc sau khi tӕi ѭXYӟi tө bù là 12o tҥi 6 GHz Tuy nhiên tәn hao tín hiӋXÿӗng thӡLWăQJNKRҧng 0.08 dB Do ÿyYӟi tҫng suy hao 16 dB, cҩu trúc switched path lҥi phù hӧSKѫQWURQJYLӋc cân bҵng vӅ ÿӝ lӋch pha Hình 2-9 GѭӟLÿk\P{Wҧ Vѫÿӗ mҥch switched path
Hình 2-9 Mô hình mҥch switched path
+DLQKiQKWUrQYjGѭӟLÿѭӧc thӇ hiӋn trên Hình 2-9 WѭѫQJӭng lҫQOѭӧt vӟi hai trҥng thái hoҥWÿӝng reference và trҥng thái suy hao Ӣ mӛLQKiQKÿӅu chӭa các cһp switches series ሺܯଵെ ܯସሻ và switches shunt ሺܯହെ ܯ଼ሻ ÿyQJQJҳt luân phiên nhau Trong trҥng thái suy hao, tín hiӋu ÿLYjRQKiQK Gѭӟi, qua mҥng trӣ KuQK7ÿѭӧc thiӃt kӃ Fyÿӝ suy hao chính xác, YjQJѭӧc lҥi ӣ trҥng thái reference, tín hiӋu ÿLTXDÿѭӡng bypass ӣ nhánh trên
Bӝ VZLWFKHVVKXQWÿѭӧc nhúng vào trong mҥch có hai chӭFQăQJFKtQKWKӭ nhҩt là WăQJFѭӡQJÿӝ cách ly giӳa hai trҥng thái hoҥWÿӝng, thӭ hai là giúp cân bҵng pha giӳa hai
Trang 28Nguy͍n Hͷu Luân
nhánh tín hiӋu Tuy nhiên viӋc sӱ dөng hai series switches trên mӛi nhánh khiӃn tәn hao tín hiӋu nghiêm trӑQJKѫQVRYӟi mҥch dҥng T
Hình 2-10 kӃt quҧ mô phӓng tәn hao tín hiӋXYjÿӝ lӋch pha cӫa mҥch switched path
Hình 2-10 là kӃt quҧ mô phӓng cӫa mҥFKVZLWFKHGSDWKWURQJÿyÿӝ lӋFKSKDVHÿmÿѭӧc cҧi thiӋQÿiQJNӇ, giҧm tӯ ͳͶ xuӕng còn ʹǤͷ Tuy nhiên tәn hao tín hiӋXÿӗng thӡi FNJQJWăQJOrQG%VRYӟi cҩu trúc ghép hai tҫng 8 dB Mһc dù tәn hao tín hiӋXWăQJOrQnghiêm trӑQJQKѭQJYүn nhӓ KѫQ yêu cҫXÿӅ UD'RÿyFҩu trúc switched path là cҩu trúc ÿѭӧc lӵa chӑn cho tҫng suy hao 16 dB
Bҧng 2-3 Tәng kӃt thiӃt kӃ cӫa các tҫng suy hao
Topology Switched path Modified ߨ Modified T Reduced T
ܴଶ (Ohm) 16.31 100.55 89.02 169.22 195.5 391.57
Insertion Loss (dB) 0.88 0.453 0.409 0.405 0.084 0.106 Phase error (o) 3.5 4.018 1.721 0.504 1.56 0.7
Bҧng tӗng kӃt thiӃt kӃ các tҫQJVX\KDRÿѭӧc tóm tҳt trên Bҧng 2-3WURQJÿyPӛi tҫng thiӃt kӃ ÿmÿѭӧc tӕLѭXYӟi trӣ kháng hoҥWÿӝng 50 ȳ
2.2.3 V̭Qÿ͉ NêVLQKWURQJOD\RXWÿ͙i vͣi m̩ch suy hao ÿDW̯ng
Các giá trӏ trong Bҧng 2-3 ӣ trên chӍ dӯng lҥi ӣ mô phӓng schematic Trong layout ҧQKKѭӣng cӫa các ký sinh tӯ công nghӋ, sӁ OjPWăQJWәn hao và lӋch pha tín hiӋX'Rÿyyêu
Trang 29Nguy͍n Hͷu Luân
cҫu phҧi hiӇXÿѭӧc công nghӋ YjÿiQKJLiÿѭӧc ҧQKKѭӣng cӫa ký sinh lên chҩWOѭӧng mҥch Hình 2-11 GѭӟLÿk\P{Wҧ cҳt lӟp các tҫng cҩu trúc cӫa công nghӋ III-V, GaAs 250 nm
Hình 2-11 6ѫÿӗ cҳt lӟp cӫa công nghӋ GaAs 250 nm [24]
Công nghӋ *D$VFyÿӝ dày tәng cӝng là 100 ߤ݉, lӟSGѭӟi cùng là lӟp kim loҥLÿһc biӋt, có mұWÿӝ dүn dòng lӟQÿѭӧc sӱ dөng làm GND, kӃt nӕi thông qua Backvia Công nghӋ GaAs hӛ trӧ tәng cӝng hai lӟp kim loҥi ÿӇ ÿLÿѭӡng tín hiӋu lҫQOѭӧt là lӟp kim loҥi mӝt (Met1) và kim loҥi hai (Met2) , vӟi khoҧng cách giӳa lӟp kim loҥi là 3.7 ߤ݉, và khoҧng cách giӳa lӟp kim loҥi mӝt so vӟi lӟp kim loҥi Gѭӟi cùng là 1.4 ߤ݉GRÿykim loҥi hai tӕi ѭXKѫQWURQJYLӋc giҧm thiӇu các tө ký sinh, ÿӗng thӡLÿӝ dày cӫa lӟp kim loҥi hai là 2 ߤ݉, trong khi kim loҥi mӝt ÿӝ dày chӍ có 1 ߤ݉ÿLӅu này cho phép lӟp kim loҥi hai có mұWÿӝ dòng lӟQKѫQYӟi trӣ ký sinh tӕi thiӇu Dӵa trên các thông sӕ vұWOêÿѭӧc mô tҧ trên Hình 2-11, lӟp kim loҥLKDLÿѭӧc lӵa chӑQÿӇ ÿLFiFÿѭӡng tín hiӋu cao tҫn, và lӟp kim loҥi mӝt sӱ dөQJFKRFiFÿѭӡQJÿLӅu khiӇn
7URQJOD\RXWFiFÿѭӡng dây interconnect giúp kӃt nӕi các linh kiӋn vӟi nhau, và ÿyQJJySYjRWәn hao và lӋch pha cӫa tín hiӋu do các trӣ và tө ký sinh WUrQÿѭӡng dây gây ra &iFÿѭӡng dây interconnect có thӇ WѭѫQJÿѭѫQJYӟLÿLӋn cҧm ܮ mҳc nӕi tiӃp trӣ ký sinh ܴǡ vӟi hai tө ÿLӋn mҳc dҥng shunt ӣ KDLÿҫX'RÿyPӝWÿѭӡQJGk\LQWHUFRQQHFWWѭѫQJÿѭѫQJQKѭPҥch lӑc thông thҩp, và có tính chҩt làm chұm pha tín hiӋu ĈӇ xét ҧQKKѭӣng các ký sinh cӫa ÿѭӡng dây interconnect vӟi chҩWOѭӧng toàn mҥch, Hình 2-12 GѭӟLÿk\P{Wҧ phép so sánh giӳa ba phiên bҧn thiӃt kӃ cӫa mҥch suy hao ͲǤͷ݀ܤ7URQJÿyHình 2-12 (a) mô tҧ
Trang 30Nguy͍n Hͷu Luân
thiӃt kӃ mҥch reduced-7Gѭӟi dҥng schematic mà không xét ҧQKKѭӣng cӫa các ký sinh Hình 2-12 (b) là thiӃt kӃ mҥch vӟi ҧQKKѭӣng cӫDFiFNêVLQKWURQJÿyFiFNêVLQKÿѭӧc trích xuҩt tӯ model cӫa nhà sҧn xuҩt Và cuӕi cùng Hình 2-12 (c) mô tҧ layout cӫa thiӃt kӃ trên vӟi các ÿѭӡQJLQWHUFRQQHFWWѭѫQJӭng, tuy nhiên các ký sinh sӁ ÿѭӧc trích xuҩt tӯ mô phӓQJWUѭӡng ÿLӋn tӯ (EM Simulation)
Atten 0.5 dB
Schematic without
Hình 2-12 ThiӃt kӃ mҥch suy hao 0.5 dB ӣ dҥng (a) schematic, (b) schematic vӟi model interconnect, (c) fully layout
Schematic có model interconnect
Trang 31Nguy͍n Hͷu Luân
KӃt quҧ thӇ hiӋn ӣ trên Hình 2-13 cho thҩy model interconnect ҧQKKѭӣng mҥnh tӟi tәn hao tín hiӋXYjÿӝ lӋch pha Trong NKLÿyNӃt quҧ post-layout cho thҩy ҧQKKѭӣng cӫa trӣ ký sinh cӫDFiFÿѭӡQJLQWHUFRQQHFWOjNK{QJÿiQJNӇ tuy nhiên pha bӏ lӋFKÿL ͲǤͶ so vӟi thiӃt kӃ schematic Nhӳng ҧQK Kѭӣng cӫa ký sinh này nӃX QKѭ WKLӃt kӃ FiF ÿѭӡng dây interconnect nhӓ lҥLÿӇ giҧm khҧ QăQJOjPOӋch pha, thì giá trӏ trӣ ký sinh WăQJOrQYjWtQhiӋu bӏ tәn hao nhiӅXKѫQ Trong thӵc tӃ thì các model cӫa nhà sҧn xuҩt là kӃt quҧ ngoҥi suy tӯ mӝt bӝ dӳ liӋXFKRWUѭӟc cӫDGѭӡQJGk\GRÿyFyÿӝ chính xác nhҩWÿӏnh Tuy nhiên kӃt quҧ mô phӓQJWUѭӡQJÿLӋn tӯ (EM) ÿѭӧc thiӃt lұp dӵDWUrQNtFKWKѭӟc thӵc tӃ các lӟp vұt lý cӫa pdk, thông qua các thuұt toán mô phӓng EM mà trích xuҩWUDÿѭӧc bӝ thông sӕ 6WѭѫQJӭQJ'RÿyNӃt quҧ tӯ mô phӓQJ(0ÿiQJWLQFұ\KѫQTҩt cҧ các tҫQJVX\KDRÿѭӧc xây dӵng trong phҫn 2.2.2ÿӅXÿѭӧc tӕLѭXOҥi khi xét ҧQKKѭӣng cӫa các ký sinh trong layout
ĈӇ tránh hiӋQWѭӧng loading effect và tӕLѭXNKҧ QăQJSKӕi hӧp trӣ kháng ra bên ngoài, thӭ tӵ sҳp xӃp các tҫQJÿѭӧc tӕLѭX [5] 7URQJÿynhӳng tҫng có hӋ sӕ phҧn xҥ tӋ nhҩt ÿѭӧc bao bӑc bӣi nhӳng tҫng có khҧ QăQJphӕi hӧp trӣ kháng tӕWKѫQHình 2-14 ErQGѭӟi mô tҧ sҳp xӃSFNJQJQKѭVFKHPDWLFFӫa tӯng khӕLVDXNKLÿѭӧc tӕLѭX
Hình 2-14 ThiӃt kӃ và sҳp xӃp 6 tҫng cӫa mҥch suy hao
Bӝ ba mҥch suy hao loҥi ߨȀܶ FyFKXQJFѫFKӃ ÿLӅu khiӇn và nguyên lý hoҥWÿӝng do ÿyÿѭӧc sҳp xӃSYjOD\RXWViWQKDXVDRFKRÿӕi xӭng nhҩt có thӇ Hai mҥch suy hao dҥng reduced-T có khҧ QăQJSKӕi hӧp tҧi tӕWGRÿӝ suy hao thҩSQrQÿѭӧc sӱ dөQJÿӇ cách ly nhóm mҥch suy hao ߨȀܶ và mҥch switched path Trong quá trình tӕLѭXWKuҧQKKѭӣng tҧi ÿӕi vӟi mҥch 16 dB là nghiêm trӑng nhҩt, và cho kӃt quҧ tӕWKѫQNKLÿѭӧc sҳp xӃp ӣ tҫng cuӕi cùng Hình 2-15 ErQGѭӟi là layout cӫa thiӃt kӃ trên Hình 2-14, cùng vӟi chip sau khi ÿѭӧc gӱLÿLFKӃ tҥo
Trang 32Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 2-15 Chip suy hao ÿDWҫng (a) VDXNKLÿѭӧc chӃ tҥo và (b) bҧn layout thiӃt kӃ (2 mm x 4 mm)
2.2.4 So sánh giͷa k͇t qu̫ mô ph͗ng và k͇t qu̫ ÿRÿ̩c
'LHFKLSÿѭӧFÿyQJJyLYӟi package QFN 40-pin 5x5mm dҥng hӣ nҳSÿӇ hӛ trӧ ÿRÿҥc on-wafer Tҩt cҧ các PADs FRQWUROWUrQGLHÿѭӧc wire bonding ra các pins cӫa package KӃt quҧ ÿRÿҥc ÿѭӧc thӵc hiӋQGѭӟi dҥng on-wafer, sӱ dөng probe station EPS150RF RF và máy phân tích microwave network analyzer N5247A PNA-X
RF probe station là mӝt hӋ thӕQJFѫNKtÿѭӧc thiӃt kӃ chính xác gӗm hӋ thӕng bàn ÿӥ, hӋ thӕng tinh chӍnh vӏ WUtFiFÿҫu kim cҩp tín hiӋu và hӋ thӕng kính hiӇn vi Bӝ ÿҫu kim cҩp tín hiӋu chӭDEDÿҫu kim lҫQOѭӧt là ground-signal-ground (GSG) vӟi khoҧng cách tӯ tâm tӟi tâm là ͳͷͲߤ݉ĈӇ ÿӏnh vӏ FKtQK[iFÿҫXNLPYjRÿ~QJtâm ÿLӇm PADs trên die chip, mӝt hӋ thӕQJFѫNKtcho phép di chuyӇQFiFÿҫu kim vӟi hӛ trӧ cӫa kính hiӇn vi Ngoài ra hӋ thӕQJEjQÿӥ (chuck) tҥo lӵc hút tӯ máy nén khí ÿӇ tránh chip bӏ dӏch chuyӇn trong TXiWUuQKÿRÿҥcYuGLHFKLSÿmÿѭӧc gҳn lên package và hàn lên boDUGÿLӅu khiӇQGRÿyÿӇ WăQJÿӝ hút giӳa board vӟLFKXFNÿƭD&'YӟLERDUGÿѭӧc gҳQErQWUrQÿѭӧc sӱ dөng Toàn bӝ hӋ thӕQJ5)SUREHVWDWLRQÿѭӧc kӃt nӕi vӟi PNA-X là hӋ thӕng vector network analyzer, hӛ trӧ trích xuҩt thông sӕ 6ÿӇ ÿѭDYjROҥi mô phӓng trong ADS 7UѭӟFNKLSKpSÿRÿѭӧc thӵc hiӋn, quá trình calibration phҧLÿѭӧc thӵc hiӋn WUѭӟc, ÿӇ trӯ ÿLVӵ tәn hao cӫDÿѭӡng dây nӕi giӳa các ÿҫu kim cҩp tín hiӋu và cәng ngõ vào cӫDPi\ÿRPNA-X
ĈӇ kӃt nӕi die chip vӟi hӋ thӕng cҩp nguӗQ'&3&%ERDUGÿѭӧc thiӃt kӃ ÿӇ gҳn chip vӟi bӝ VZLWFKHV Fѫ GQJ ÿӇ cung cҩp tín hiӋX ÿLӅu khiӇQ ĈӇ tránh sӵ dӏch chuyӇn cӫa SDFNDJHWURQJTXiWUuQKWiFÿӝng lӵc lên bӝ VZLWFKHVÿLӅu khiӇQ%RDUGÿLӅu khiӇQÿѭӧc tách ra và thӵc hiӋn nӕi dây control tӯ bên ngoài, QKѭHình 2-16 thӇ hiӋn,
Trang 33Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 2-16 KӃt nӕi giӳDERDUGÿLӅu khiӇn và board chip
DC ÿѭӧc cҩp thông qua nguӗQ($6ѫÿӗ set-XSÿRÿҥFÿѭӧc thӇ hiӋn ӣ trên Hình 2-17
Hình 2-17 Cҩu hình thӵc hiӋQÿRÿҥc on-wafer vӟi mҥch DSA
Ĉӕi vӟi công nghӋ *D$VQyLULrQJFNJQJQKѭF{QJQJKӋ III-V nói chung, do transistor có khҧ QăQJKRҥWÿӝng vӟi ngõ vào ÿLӅu khiӇn là 9GRÿyYLӋFÿRÿҥc phҧLÿѭӧc thӵc hiӋn theo tӯQJEѭӟFÿӇ tránh chӃt chipĈҫXWLrQiS'&ÿѭӧc cҩSYjRWUѭӟc và phҧLÿҧm bҧo toàn bӝ FiFiSÿLӅu khiӇn phҧLÿѭӧc cҩp ӣ -9ÿӇ chip không hoҥWÿӝng, VDXÿyFҩp tín hiӋu RF YjRYjÿRWK{QJVӕ S ӣ trҥng thái reference Khi cҫn chuyӇn qua trҥng thái hoҥWÿӝng khác, cҫn tҳt tín hiӋu RF WUѭӟFYjVDXÿyWҳt nguӗn rӗi thӵc hiӋn viӋc switching Chuӛi thao tác này giúp phòng ngӯDFiFÿiSӭng không mong muӕn do quá trình switching gây ra
Trang 34Nguy͍n Hͷu Luân
KӃt quҧ ÿRÿҥFÿѭӧc xuҩWWKjQKILOHGѭӟi dҥng thông sӕ 6YjÿѭӧFÿѭDYjRSKҫn mӅm mô phӓQJ$'6ÿӇ thӵc hiӋn so sánh vӟi kӃt quҧ post-layout 'ѭӟLÿk\OjNӃt quҧ ÿRÿҥc và kӃt quҧ post-layout cӫa các 6 trҥng thái suy hao lӟn là 0.5dB, 1dB, 2dB, 4dB, 8 dB, 16dB
Trang 35Nguy͍n Hͷu Luân
ÿҥc sát vӟi mô phӓQJQKѭQJNKLWҫn sӕ WăQJOrQWKuNӃt quҧ ÿRÿҥc cho thҩy tәn hao nhiӅu KѫQ7ҥi tҫn sӕ 6 GHz, tәn hao sau khi chӃ tҥRWăQJG%VRYӟi thiӃt kӃ, chӭng tӓ ký sinh ҧQKKѭӣQJÿӃn chҩWOѭӧng mҥch nghiêm trӑQJKѫQNKLP{SKӓng Mһc dù vұy, tәn hao cӫa tín hiӋXÿӅXGѭӟLÿҥt yêu cҫXOjGѭӟi -4.5 dB VӅ ÿӝ lӋch pha thiӃt kӃ trên post-layout cho thҩy mҥFKFyÿӝ lӋch pha nhӓ, và sau khi chӃ tҥRWKuÿӝ lӋch pha giҧm tӯ െ͵ xuӕng còn െͳͲ, chӭng tӓ sau khi chӃ tҥo mҥch có tính chұm pha do ҧQKKѭӣng tӯ các tө ký sinh vӅ GND nghiêm trӑQJKѫQNKLP{SKӓng EM
Ĉӕi vӟLÿӝ FKtQK[iFNKLÿLӅu khiӇn suy hao (Atten error) thì cҧ kӃt quҧ ÿRÿҥc và kӃt quҧ post-OD\RXWÿӅXFyÿӝ chính xác tӕt trên cҧ 64 trҥQJWKiLVX\KDRNKLÿӅu nҵPGѭӟi mӭc yêu cҫXÿӝ chính xác là 0.4+4Ψ (Atten state) Tuy nhiên tӯ tҫng suy hao 16 dB trӣ vӅ sau thì có kӃt quҧ ÿRÿҥFFyÿӝ chính xác giҧPÿLG%VRYӟi kӃt quҧ post-layout VӅ sai sӕ hiӋu dөng (RMS atten error) cҧ ÿRÿҥc và kӃt quҧ post-OD\RXWÿӅu ӣ Gѭӟi mӭc yêu cҫXÿһt ra là 0.3 dB Chӭng tӓ mҥFKVX\KDRÿѭӧc thiӃt kӃ Fyÿӝ chính xác tӕt
'ѭӟLÿk\OjEҧng tәng kӃt, kӃt quҧ ÿRÿҥc cӫa tҩt cҧ 64 trҥng thái, ÿӗng thӡLFNJQJthӵc hiӋn viӋc so sánh kӃt quҧ ÿRÿҥc chip suy hao vӟi các chip WKѭѫQJPҥi và các chip ÿѭӧc thӵc hiӋn trong các bài báo khác trên thӃ giӟi, vӟi cùng công nghӋ chӃ tҥo GaAs pHEMT ViӋc so sánh này giúp nghiên cӭu chӍ UDÿѭӧc vӏ WUtÿӭng sҧn phҭm cӫa mình trên thӏ WUѭӡng thӃ giӟi
Bҧng 2-4 So sánh giӳa chip suy hao vӟi các chip khác trên thӏ WUѭӡng
(GHz) IL (dB)
RMS atten error (dB)
Phase Shift (deg)
Die size (mm2) [10] 0.5 ߤ݉ GaAs pHEMT 2-18 <5.71 <2.31 <6.28 2.9x1.2 [11] 0.25 ߤ݉ GaAs pHEMT 0.1-15 <3.8 <2 <52 1.2x1 [12] 0.25 ߤ݉ GaAs pHEMT 0.7-6 <2.5 <1.5 <30 4x4 [13] 0.25 ߤ݉ GaAs pHEMT 2.2-8 <4.7 <0.8 <80 3x3 My work 0.25 ߤ݉ GaAs pHEMT DC-6 <3.2 <0.5 <29.1 2.4x1.3
Bҧng 2-4 cho thҩy kӃt quҧ ÿRÿҥc cӫDFKLSÿѭӧc thiӃt kӃ có quҧ tӕt vӅ ÿӝ tәn hao tín hiӋX ,/ WURQJÿyGRѭXWLrQWKLӃt kӃ ÿӇ ÿҥWÿӝ chính xác cao, nên chӍ sӕ RMS atten error ÿӅu nhӓ KѫQFiFFKLSNKic trên thӏ WUѭӡng Tuy nhiên vӟi 64 trҥQJWKiLVX\KDRWKuÿӝ lӋch
Trang 36Nguy͍n Hͷu Luân
pha nhӓ nhҩWÿҥWÿѭӧc là ʹͻǤͳ KӃt quҧ so sánh cho thҩ\FKLSÿѭӧc thiӃt kӃ có chҩWOѭӧng WѭѫQJÿӗng so vӟLFiFFKLSWKѭѫQJPDLWUrQWKӏ WUѭӡng
2.3 Phân tích, thiӃt kӃ mҥch dӏFKSKDÿDWҫng cho hӋ thӕng thông tin sub-6 GHz
2.3.1 &˯Vͧ lý thuy͇t và yêu c̯XNƭWKX̵t cho m̩ch d͓FKSKDÿDW̯ng
Mҥch dӏch pha là mӝt trong nhӳng khӕi chính cӫa hӋ thӕQJSKDVHDUUD\'RÿyÿӇ phù hӧp vӟi bӕi cҧnh cӫa hӋ thӕng, các yêu cҫu vӅ thiӃt kӃ bao gӗPÿӝ tәn hao tín hiӋu nhӓ, khҧ QăQJÿLӅu chӍQKSKDFKtQK[iFYjQJ}YjRYjUDÿѭӧc thiӃt kӃ vӅ hӋ thӕng trӣ kháng chuҭn 50ȳ Bҧng yêu cҫXNƭWKXұWÿѭӧFWUuQKEj\ErQGѭӟLÿѭӧc lҩy ra tӯ viӋc khҧo sát các chip trên thӏ WUѭӡng
Bҧng 2-5 Yêu cҫXNƭWKXұt vӟi chip dӏch pha
4 RMS Insertion loss variation dB ͲǤͶ
7 Input Return Loss (IRL) dB 10 8 Output Return Loss (ORL) dB 10
Mҥch dӏch pha cung cҩp khҧ QăQJÿLӅu chӍnh ÿӝ lӋch WѭѫQJÿӕi vӅ pha giӳa hai trҥng thái hoҥWÿӝng lҫQOѭӧt là trҥng thái reference, và trҥng thái phase shift thông qua hai tín hiӋu ÿLӅu khiӇn Vӟi ÿӝ FKLDELWWKuÿӝ dӏch pha lӟn nhҩt ÿҥWÿѭӧc là ͵ͷͶǤ͵ͷWѭѫQJӭng vӟi Eѭӟc nhҧy là ͷǤʹͷ 'RÿһFÿLӇPWѭѫQJÿӗng vӅ FiFKÿLӅu khiӇn cho nên kiӃn trúc tәng quá cӫa mҥch dӏch pha có nhiӅXQpWWѭѫQJ tӵ vӟi mҥch suy hao VӅ FѫEҧn có hai kiӃn trúc phә biӃn lҫQOѭӧt là mҥng nhúng hình ܶ và cҩu trúc mҥFKVZLWFKHGSDWKÿѭӧc thӇ hiӋn trên Hình 2-19 GѭӟLÿk\
Trang 37Nguy͍n Hͷu Luân
Hình 2-19 Hai mҥng kiӃn trúc phә biӃn trong mҥch dӏch pha (a) mҥng nhúng hình T, (b) mҥch switched path
ѬXYjQKѭӧFÿLӇm giӳa hai bӝ cҩXWU~FQj\ÿmÿѭӧc phân tích trong phҫn 2.2 Tuy nhiên khác vӟi mҥch suy hao, lӋch pha là hiӋQWѭӧng không mong muӕQYjFiFNƭWKXұt trong mҥFKVX\KDROX{QKѭӟng vӅ viӋc bù trӯ nhӳng ký sinh gây lӋch pha Trong thӃ giӟi cӫDSKDVHVKLIWHUÿһc biӋt là vӟi mҥch nhúng hình T, thì FiFÿһFÿLӇPNêVLQKÿѭӧc lӧi dөng ÿӇ tҥRÿӝ dӏch pha cҫn thiӃt
Hình 2-20 ErQGѭӟi mô tҧ cҩu trúc và hoҥWÿӝng cӫa mҥch nhúng hình T, vӟi các trҥng thái hoҥWÿӝng lҫQOѭӧt là trҥng thái reference, và trҥng thái phase shift
Hình 2-20 6ѫÿӗ mҥch all-pass ӣ trҥng thái reference và trҥng thái phase-shift
Ӣ trҥng thái reference, các switches ܯଵǡ và ܯଷ ӣ trҥQJWKiL21YjWѭѫQJÿѭѫQJYӟi trӣ ký sinh ܴWURQJNKLÿyVZLWFKܯଶ ӣ trҥng thái OF)WѭѫQJÿѭѫQJYӟi tө ký sinh ܥ Ӣ trҥng thái này các giá trӏ ܮଶǡ ܥଶ và ܥଶ, nӃXÿѭӧc thiӃt kӃ cӝQJKѭӣng vӟLQKDXWKuQJăQ
Trang 38Nguy͍n Hͷu Luân
tín hiӋu bypass vӅ *1'GRÿygiҧm tәn hao tín hiӋX7KrPYjRÿyQӃu giá trӏ ܴଵ ÿѭӧc thiӃt kӃ ÿӫ nhӓ ÿӇ E\SDVVÿѭӧc mҥng cuӝn cҧm ӣ Gѭӟi, thì vӅ OêWѭӣng, trҥng thái reference, FyÿiSӭng pha = 0
Ӣ trҥng thái phase shift, các switches ܯଵǡ và ܯଷ ӣ trҥng thái OFF, và switch ܯଶ ӣ trҥng thái ON NӃu thiӃt kӃ giá trӏ ܴଶ ÿӫ nhӓ ÿӇ bypass toàn bӝ nhánh shunt ܮଶܥଶ, thì cùng vӟi các tө ký sinh ܥଷǡ ܥଵ, tҥo thành mҥng cҫXKuQK7Fyÿһc tính all-pass
Theo phân tích trong bài báo [14]ÿӇ ÿҥWÿѭӧFÿӝ dӏch pha ߶ tҥi tҫn sӕ ݂ Giá trӏ cӫa các linh kiӋQÿѭӧc tính toán QKѭVDX
ܥଵ ൌ ͳ
ʹܼ߱Ǣ ܥଷ ൌʹ
ܼ߱Ǣ ܮଵ ൌܼ
ܥ ൌ ͳܼ߱
ʹሺ ͳȀሻ
ͳ ሺ െ ͳȀሻଶǢ ܮଶ ൌ ܼ߱
VCNVC
Trang 39Nguy͍n Hͷu Luân
7X\QKLrQÿӇ tránh gây ҧQKKѭӣQJOrQÿӝ dӏch pha ӣ trҥng thái phase shift, mӝt cҩu trúc switche ܯସ mҳc song song vӟi tө ܥଷ Vӟi thiӃt kӃ ܴସ ÿӫ nhӓ ÿӇ bypass tө ܥଷWKuFѫchӃ hoҥWÿӝng cӫa mҥch modified ӣ trҥQJWKiLSKDVHVKLIWWѭѫQJWӵ QKѭPҥch all-pass Do ÿyPҥch modified GX\WUuÿѭӧc sai sӕ vӅ pha nhӓ trên miӅQEăQJWK{QJUӝQJKѫQ1KѭQJQKѭӧFÿLӇPOjWăQJtәn hao tín hiӋu do ghép nӕi tiӃp thêm mӝt tҫng switch
Ӣ các tҫQJFyÿӝ dӏch pha nhӓ KѫQ (ͷǤʹͷǢ ͳͳǤʹͷሻ, thì kiӃQWU~FUHGXFHGWKѭӡng ÿѭӧc sӱ dөQJGRÿһFWtQKÿѫQJLҧn, mà vүn giӳ ÿѭӧc phase error nhӓ trong khoҧQJEăQJthông rӝng
L1State 1
State 2
Hình 2-22 cҩu trúc thiӃt kӃ mҥch reduced phase shift
&ѫFKӃ hoҥWÿӝng cӫa mҥFKUHGXFHGWѭѫQJWӵ QKѭPҥch switched path, tӭFÿӝ lӋch SKDWѭѫQJÿӕi cӫa toàn mҥch phө thuӝc vào hiӋu pha giӳa hai trҥQJWKiLÿѭӧc biӇu diӉn QKѭsau
Vӟi các mҥFKFyÿӝ dӏch pha lӟQKѫQ ͻͲǡ ͳͺͲሻ thì cҧ hai cҩu trúc embeded, và reduced, không còn phù hӧp Do hiӋu pha giӳa hai trҥng thái lúc này lӟn, kéo theo giá trӏ cӫa các linh kiӋn lӟn theo, và ký sinh ҧQKKѭӣng nghiêm trӑQJKѫQGRÿyPҥch không còn giӳ ÿѭӧFEăQJWK{QJrӝng Cҩu trúc switched path thuҫn túy lúc này lҥi hiӋu quҧ KѫQWURQJ
Trang 40Nguy͍n Hͷu Luân
viӋc cân bҵng giӳDEăQJWK{QJYjtәn hao tín hiӋu Hình 2-23 ӣ Gѭӟi mô tҧ kiӃn trúc mҥch switched path ÿѭӧc sӱ dөng kӃt hӧp vӟi các mҥng thông thҩp/thông cao
Hình 2-23 cҩu trúc mҥng thông thҩp/thông cao
Trong Hình 2-23 nhánh phía trên là mҥch lӑc thông cao hình T, vӟi ÿһc tính sӟm pha ሺ߶ଵ Ͳሻ9jQKiQKGѭӟi là mҥch lӑc thông thҩp hình ߨ, vӟi ÿһc tính trӉ pha ሺ߶ଶ ൏ Ͳሻ Do ÿyÿӝ lӋFKSKDWѭѫQJÿӕi ߶ ൌ ȁ߶ଵെ ߶ଶȁ Tùy vào thiӃt kӃ ߶ଵ và ߶ଶ mà mҥch Fyÿӝ lӋch pha khác nhau Giá trӏ cӫa các linh kiӋQÿѭӧc tính theo ߶ଵ và ߶ଶ ÿѭӧFWUuQKEj\GѭӟLÿk\
ܮଵ ൌ ܼ
ʹߨ݂ଵሺ߶ଵሻǢ
ʹߨ݂ଵܼ ቀ߶ʹ ቁଵ (7) ܮଶ ൌܼሺെ߶ଶሻ
߶ଶʹ ቁʹߨ݂ଶܼ
(8) 7URQJÿy݂ଵ và ݂ଶ lҫQOѭӧt là tҫn sӕ cҳt cӫa mҥng lӑc thông caoሺܮଵǡ ܥଵሻ và mҥng lӑc thông thҩp ሺܮଶǡ ܥଶሻ Khai triӇn chi tiӃt cӫa bӝ công thӭFWUrQÿѭӧc trình bày trong [16]
2.3.2 V̭Qÿ͉ ÿiQKÿ͝i giͷa phase error Yjÿ͡ suy hao
Hình 2-24 GѭӟL ÿk\ JKpSFiFWҫng dӏch pha vӟi nhau, sӱ dөng lý thuyӃt dӏch pha ÿѭӧc trình bày ӣ trên, có tӕLѭXJLiWUӏ cӫa các linh kiӋQÿӇ mӣ rӝQJEăQJWK{QJ
Hình 2-24 ghép các tҫng dӏch pha trên schematic