Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu và thiết kế phần cao tần của máy phát Zigbee

Xây dựng các nhà máy sản xuất chip đầu tiên tại Việt Nam với công suất khoảng 1.8 tỷ chip/năm, đào tạo khoảng 2000 kỹ sư, kỹ thuật viên với tổng kinh phí hơn 7 ngàn tỷ đồng [1].Ứng dụng

Giới thiệu luận văn

Trong thập kỷ qua, sự phát triển của ngành truyền thông không dây đã đẩy mạnh sự phát triển công nghệ mạch tích hợp tần số cao sử dụng nguồn năng lƣợng thấp (low power radio frequency intergrated circuits RFICs) Hơn nữa, nhiều ứng dụng nhƣ mạng cảm biến không dây, thẻ thông minh, các ứng dụng trong nhà thông minh, mạch tích hợp sử dụng trong hộp đen…luôn đòi hỏi thời gian sử dụng và tuổi thọ của pin phải đảm bảo thời gian dài và những yêu cầu đó đang là mối quan tâm cần được xem xét trong thiết kế RFICs Từ những yêu cầu của xu hướng phát triển, nhiều tiêu chuẩn và hệ thống mới đã ra đời Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee là một ví dụ trong hệ thống Wireless Personal Area Networks (WPANs), là một tiêu chuẩn sử dụng nguồn năng lƣợng thấp Tiêu chuẩn này hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ thấp và phạm vi hoạt động ngắn, ít lỗi, giá thành thấp, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao, đặc biệt thời gian sử dụng pin của tiêu chuẩn này có thể kéo dài gấp mười lần so với chuẩn Bluetooth

Hình 1.1 Sự phát triển các ứng dụng theo tiêu chuẩn 802.15.4 trong tương lai

Phát triển RFIC tiết kiệm năng lượng là xu hướng chủ đạo trong các lĩnh vực thương mại và công nghiệp trên toàn thế giới hiện nay Việc tối ưu hóa nguồn năng lượng tiêu thụ là yếu tố quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất thiết bị, kéo dài tuổi thọ pin và giảm chi phí vận hành Các nghiên cứu không ngừng được đầu tư để cải tiến thiết kế, vật liệu và quy trình chế tạo của RFIC, hướng đến mục tiêu tiết kiệm năng lượng tối đa.

Việt Nam là một trong những quốc gia đang đẩy mạnh đầu tƣ trong lĩnh vực vi mạch Đặc biệt tại thành phố Hồ Chí Minh đang tập trung nhiều kinh phí và nguồn nhân lực để thực hiện chương trình phát triển công nghệ vi mạch thành ngành kinh tế chủ lực, thu hút các tập đoàn đa quốc gia về lĩnh vực vi mạch hoạt động tại Việt Nam Xây dựng các nhà máy sản xuất chip đầu tiên tại Việt Nam với công suất khoảng 1.8 tỷ chip/năm, đào tạo khoảng 2000 kỹ sƣ, kỹ thuật viên với tổng kinh phí hơn 7 ngàn tỷ đồng [1] Ứng dụng theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee đang đƣợc sử dụng rất nhiều trong đời sống thường ngày tại nhiều quốc gia trên thế giới, thể hiện ở hình 1.1, ví dụ hệ thống chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh…Tại Việt Nam, các thiết bị theo tiêu chuẩn trên đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣng hầu hết các linh kiện đều nhập từ nước ngoài, vì thế chi phí cao Với xu thế phát triển ngành công nghệ vi mạch trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, người thực hiện đề tài tiến hành nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế phần cao tần của máy phát Zigbee”.

Mục đích và phương pháp nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

Thiết kế và layout phần cao tần máy phát theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee sử dụng công nghệ 0.18m CMOS, bao gồm các khối sau:

- Mạch khuếch đại công suất - Mạch driver có thể thay đổi đƣợc độ lợi - Bộ trộn chuyển đổi tần lên

- Mạch bandgap reference Các khối trên đƣợc tích hợp và tối ƣu thành một IP về phần cao tần bộ phát sử dụng công nghệ 0.18m CMOS.

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng trong việc nghiên cứu đề tài luận văn:

- Tìm hiểu về tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee

- Nghiên cứu công nghệ thiết kế và chế tạo vi mạch RFICs qua tài liệu tham khảo

- Nghiên cứu và thiết kế các khối trong bộ phát thông qua việc tham khảo các bài báo về thiết kế vi mạch IEEE Xplore

- Sử dụng các phần mềm mô phỏng để thiết kế, mô phỏng, tối ƣu và layout mạch nhƣ Cadence, ADS, IE3D.

Đóng góp của đề tài

Việc lựa chọn cấu trúc của hệ thống máy phát cao tần cũng nhƣ cấu trúc của từng khối và thiết kế các khối đó trong hệ thống truyền thông không dây gặp rất nhiều vấn đề để giải quyết, bao gồm:

- Thiết kế hệ thống có nguồn năng lƣợng tiêu thụ thấp để tối ƣu hóa nguồn năng lƣợng cung cấp, kéo dài thời gian sử dụng nguồn năng lƣợng đối với các hệ thống sử dụng nguồn năng lƣợng di động nhƣ pin, phù hợp với từng tiêu chuẩn yêu cầu, ví dụ nhƣ tiêu chuẩn IEEE802.15.4/ZigBee đòi hỏi có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ nguồn năng lƣợng thấp, truyền trong phạm vi ngắn

Thiết kế mạch phải tối ưu về kích thước, cân nhắc lựa chọn các linh kiện ngoại vi (off-chip) phù hợp, đảm bảo tính thực tế (ví dụ: cuộn dây, tụ điện) để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của mạch.

- Phải có sự tương nhượng trong việc thiết kế từng khối trong hệ thống ví dụ như đối với mạch khuếch đại công suất, khi thiết kế, chúng ta phải tương nhượng giữa các yếu tố nhƣ độ lợi, hiệu suất, công suất… vì chỉ cần có một trong các yếu tố thay đổi thì các yếu tố khác cũng thay đổi theo, từ đó thay đổi đến chất lƣợng của toàn hệ thống

Luận văn sau khi đƣợc hoàn thành đã thiết kế thành công bộ phát cao tần cho hệ thống ZigBee gồm các khối: mạch khuếch đại công suất, mạch driver có khả năng thay đổi đƣợc độ lợi, mạch trộn chuyển đổi tần lên, ngoài ra còn thiết kế khối bandgap reference để cung cấp điện áp ổn định cho hệ thống hoạt động Các khối trên đƣợc tích hợp và tối ƣu thành một IP về phần cao tần của bộ phát sử dụng công nghệ 0.18m CMOS và là một trong những nghiên cứu khoa học ban đầu về tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee cũng nhƣ tạo tiên đề và tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về hệ thống ZigBee sau này.

Bố cục trình bày luận văn

Luận văn được trình bày với tất cả 8 chương, nội dung cụ thể của từng chương nhƣ sau:

Chương 1: Giới thiệu về đề tài nghiên cứu, mục đích và phương pháp nghiên cứu cũng nhƣ đóng góp của đề tài sau khi thực hiện xong nghiên cứu

Chương 2: Trình bày tổng quan về công nghệ RFIC và giới thiệu về tiêu chuẩn truyền thông không dây cự ly ngắn IEEE802.15.4/ZigBee

Chương 3: Giới thiệu về các cấu trúc bộ phát và trình bày thiết kế hệ thống phần cao tần của máy phát ZigBee

Chương 4: Giới thiệu về mạch khuếch đại công suất, các thông số để đánh giá và thiết kế mạch khuếch đại công suất Đồng thời, trình bày thiết kế và mô phỏng, layout mạch khuếch đại công suất lớp AB và mạch driver

Chương 5: Giới thiệu về bộ trộn tần chuyển đổi tần lên và các thông số để đánh giá, thiết kế bộ trộn tần Trình bày thiết kế và mô phỏng, layout mạch trộn chuyển đổi tần lên dạng thụ động và mạch đệm

Chương 6: Giới thiệu về mạch bandgap reference, đồng thời trình bày thiết kế và mô phỏng mạch bandgap reference

Chương 7: Trình bày phần cao tần của máy phát ZigBee sau khi ghép nối các khối đã thiết kế ở chương 4, 5 lại với nhau và mô phỏng, layout hệ thống

Chương 8: Trình bày kết luận về các kết quả đạt được sau khi thiết kế hệ thống, nhận xét đánh giá và đề ra hướng phát triển tiếp theo của luận văn.

TỔNG QUAN VỀ RFIC VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG CỰ LY NGẮN

Giới thiệu

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ đã làm cho các thiết bị điện tử ngày càng phát triển, nhỏ gọn, tích hợp đƣợc nhiều ứng dụng để giải quyết các nhu cầu của con người Một trong những ngành phát triển đó phải kể đến sự phát triển vƣợt bậc của ngành công nghệ vi mạch nói chung và vi mạch trong lĩnh vực siêu cao tần nói riêng Một trong những yêu cầu trong thực tế đó là hình thành và phát triển một chuẩn truyền thông có phạm vi hoạt động tương đối ngắn, tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ nguồn năng lƣợng thấp để kéo dài thời gian sử dụng nguồn năng lƣợng và tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee đã ra đời để đáp ứng những yêu cầu trên Trong nội dung chương này sẽ trình bày sơ lược về công nghệ RFIC và các thông tin liên quan đến tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee nhƣ khái niệm, băng tần hoạt động, ứng dụng…

Tổng quan về công nghệ RFIC

Các thiết bị sản xuất theo công nghệ RFIC ngày càng đƣợc ƣa chuộng vì các thiết bị này có kích thước nhỏ gọn, tính linh động cao, đầy đủ các ứng dụng giải quyết các nhu cầu thiết yếu của con người Công nghệ IC ra đời đã thay thế các linh kiện rời trong mạch điện nhƣ điện trở, cuộn dây, tụ điện… bằng các linh kiện đƣợc tích hợp trên cùng một phiến bán dẫn Chính vì thế công nghệ vi mạch có ƣu điểm kích thước mạch nhỏ, giá thành thấp, khả năng tích hợp cao…Tùy thuộc vào chất liệu của bán dẫn mà chúng ta có thể chia ngành vi mạch thành hai nhóm: MMIC đƣợc chế tạo từ các nguyên tử thuộc nhóm III, nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn, đặc biệt là GaAs và RFIC dùng CMOS So với GaAs thì CMOS có ƣu điểm là giá thành rẻ, khả năng tích hợp cao hơn và là giải pháp cho SoC

Qui trình thiết kế RFIC đƣợc thể hiện ở hình 2.1, bao gồm có 4 giai đoạn chính:

- Thiết kế mạch điện - Thiết kế vật lý - Sản xuất

- Kiểm tra và đo đạc

Giới thiệu về tiêu chuẩn truyền thông không dây trong cự ly ngắn

Mạng cá nhân không dây (WPAN) là mạng không dây phạm vi hẹp, trong phạm vi từ vài mét đến hàng chục mét Mục đích chính của chúng là kết nối thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, với điện thoại di động hoặc máy tính Một số công nghệ phổ biến trong mạng WPAN bao gồm Bluetooth, ZigBee và Wireless USB.

Các ứng dụng theo tiêu chuẩn này luôn hướng đến mục tiêu hoạt động với điện năng tiêu thụ thấp Hình 2.2 cho ta thấy biểu đồ của các chuẩn truyền thông không dây trong cự ly ngắn

Hình 2.2 Biểu đồ của các chuẩn truyền thông không dây truyền trong cự ly ngắn

Giới thiệu về tiêu chuẩn IEEE 802.15.4/Zigbee

2.4.1 Khái niệm về tiêu chuẩn 802.15.4/ZigBee

ZigBee là giao thức truyền thông không dây tầm ngắn được các thiết bị không dây dựa trên chuẩn này sử dụng để hoạt động trên 3 băng tần 868MHz, 915MHz và 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu thấp.

Tên ZigBee đƣợc xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu “Zig-Zag” của loài ong “Honey-Bee” Cái tên ZigBee cũng đƣợc ghép từ 2 từ này Đặc điểm của hệ thống ZigBee:

- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng - Thời gian sử dụng pin rất dài

- Cài đặt, bảo trì dễ dàng - Độ tin cậy cao

- Có thể mở rộng đến 65000 node - Chi phí đầu tƣ thấp

- Tốc độ dữ liệu là 250 Kbps ở dải tần 2.4 GHz (toàn cầu), 40 Kbps ở dải tần 915 MHz (Mỹ ,Nhật) và 20 Kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu)

Các kiểu trao đổi dữ liệu trong công nghệ ZigBee: công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 có 3 kiểu trao đổi thông tin giữa các thiết bị nhƣ sau:

- Cung cấp dữ liệu định kỳ: Ứng dụng này sẽ áp đặt tỷ lệ, bộ cảm biến kích hoạt, kiểm tra dữ liệu và vô hiệu hóa

- Cung cấp dữ liệu không liên tục: Ứng dụng này xác định tỷ lệ nhƣ trong ứng dụng nhƣ báo động khi phát hiện khói Thiết bị chỉ kết nối với mạng khi có yêu cầu, loại này cho phép tiết kiệm tối ƣu về năng lƣợng

Thiết bị sẽ hoạt động trong một khoảng thời gian cố định tùy thuộc vào khoảng thời gian được quy đinh, được gọi là GTS (Khe thời gian được bảo đảm).

2.4.2 Băng tần hoạt động của hệ thống ZigBee

IEEE 802.15.4 bao gồm ba dải tần số khác nhau Băng tần đầu tiên tại tần số 868MHz và nó chỉ có một kênh với tốc độ bit là 20Kbps sử dụng điều chế BPSK

Băng tần này đƣợc chỉ hỗ trợ tại châu Âu Băng tần thứ hai tại tần số 915MHz, nó có 10 kênh, mỗi một kênh 40Kbps sử dụng điều chế BPSK Băng tần này chỉ đƣợc hỗ trợ ở Bắc Mỹ, Australia, New Zealand và một số nước ở Nam Mỹ Băng tần thứ ba nằm ở tần số 2,4GHz, có 16 kênh, tốc độ bit mỗi kênh 250Kbps Băng tần này sử dụng điều chế OQPSK Điều này dẫn đến sự thay đổi Minimum Shift Keying (MSK) của tín hiệu Băng tần này đƣợc hỗ trợ gần nhƣ trên toàn thế giới

Máy thu theo chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee phải hỗ trợ một trong hai dải tần đầu (868 MHz và 915 MHz) hoặc dải tần thứ ba (2,4 GHz) Bảng phân bổ tần số cho IEEE 802.15.4 được minh họa trong Hình 2.3 Bảng 2.1 hiển thị số lượng kênh theo các danh mục quy định.

Bảng 2.1 Channel Numbering Nomenclature Band Channel center Frequency Channel number Channel Spacing

2.4.3 Ứng dụng của chuẩn 802.15.4/ZigBee

- Ứng dụng ZigBee trong việc quản lý năng lƣợng thông minh:

Là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm theo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng năng lượng, nước Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn qua việc cung cấp cho người tiêu dùng những thông tin về hệ thống năng lƣợng mà họ đang sử dụng Nó cũng cung cấp những công cụ tự động hóa cần thiết để giảm mức tiêu thụ năng lƣợng dễ dàng từ đó tạo ra hiệu quả kinh tế thật sự

- Ứng dụng ZigBee trong việc điều khiển từ xa:

Cung cấp một tiêu chuẩn điều khiển từ xa qua RF mang tính toàn cầu, tiên tiến, dễ sử dụng giúp loại bỏ những hạn chế của điều khiển truyền thẳng (line-of-sight), đồng thời cung cấp giao tiếp hai chiều, phạm vi sử dụng rộng, tuổi thọ pin dài Nó đƣợc thiết kế cho một loạt các thiết bị rạp hát tại nhà, các hộp set-top, thiết bị âm thanh… Điều khiển từ xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng khỏi việc phải đưa remote chỉ thẳng vào thiết bị thay vào đó nó cung cấp các công cụ rất linh hoạt, cho phép kiểm soát các thiết bị từ phòng gần đó, bạn có thể đặt thiết bị mà bạn cần điều khiển ở bất cứ nơi đâu, bao gồm cả phía sau gỗ, tường, thủy tinh

- Ứng dụng ZigBee trong việc điều khiển nhà thông minh:

ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho các sản phẩm giúp cho ngôi nhà thông minh có thể kiểm soát thiết bị, chiếu sáng, quản lý môi trường, năng lượng và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee

Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm chi phí, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng với chi phí duy trì thấp

Nhiều công ty đã sản xuất ra sản phẩm, có chuyên môn cho tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips, Control4 và Texas Instruments

- Ứng dụng ZigBee trong việc chăm sóc sức khỏe:

Bệnh nhân có thể đƣợc theo dõi tại nhà chẳng hạn nhƣ huyết áp và nhịp tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người Bệnh nhân mang một thiết bị ZigBee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe nhƣ huyết áp và nhịp tim

Dữ liệu được truyền đến máy chủ không dây, thường là máy tính cá nhân tại nhà bệnh nhân để phân tích ban đầu Sau đó, thông tin quan trọng được truyền qua Internet đến y tá hoặc nhà trị liệu của bệnh nhân để phân tích sâu hơn Các công ty chăm sóc sức khỏe hàng đầu như Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Awarepoint và RF Technology đang hỗ trợ công nghệ ZigBee Health Care.

- Ứng dụng ZigBee trong dịch vụ viễn thông:

ZigBee Telecom Service cung cấp dịch vụ chuẩn hỗ trợ hàng loạt ứng dụng gia tăng giá trị khác nhau bao gồm thông tin phân phối, chơi game di động, dịch vụ định vị, thanh toán, quảng cáo trên di động, truy nhập sử dụng điện thoại và các dịch vụ chia sẻ dữ liệu peer-to-peer

Các nhà cung cấp dẫn đầu các dịch vụ trên hiện nay bao gồm Phillips, Telecom Italia, Telefonica, OKI, Huawei, Motorola và Texas Instruments

2.4.4 So sánh chuẩn 802.15.4/ZigBee với các tiêu chuẩn khác

Tiêu chuẩn 802.15.4/ZigBee có công suất phát ở ngõ ra thấp và tiêu thụ nguồn năng lƣợng thấp hơn so với các chuẩn truyền thông không dây trong cự ly ngắn khác Phạm vi truyền của ZigBee khoảng vài chục mét với tốc độ truyền dữ liệu 250Kbps và được ứng dụng trong các hệ thống mạng có kích thước lớn So sánh ZigBee với các tiêu chuẩn truyền thông khác đƣợc tóm tắt nhƣ bảng 2.2

Bảng 2.2 Bảng tóm tắt so sánh các tiêu chuẩn truyền thông không dây cự ly ngắn

Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất

Tiêu thụ nguồn cung cấp

Thấp Trung bình Cao Cao Rất thấp

THIẾT KẾ CẤU TRÚC BỘ PHÁT CỦA HỆ THỐNG ZIGBEE

Giới thiệu về bộ phát

Việc lựa chọn cấu trúc bộ phát để thiết kế cho hệ thống rất quan trọng, đƣợc xác định bởi hai yếu tố:

- Thứ nhất: tùy thuộc vào sự quyết định của người thiết kế hệ thống có sự tương nhượng các yếu tố trong quá trình thiết kế ví dụ như chi phí, mức độ phức tạp của hệ thống

- Thứ hai: tùy thuộc vào số lƣợng của bộ dao động và bộ lọc có thể thiết kế ở bên ngoài chip Nói chung, việc lựa chọn kiến trúc bộ phát cũng nhƣ quy hoạch tần số đƣợc phép sử dụng của bộ phát phải đƣợc lựa chọn để phù hợp với bộ thu cũng nhƣ cho phép chia sẻ phần cứng cũng nhƣ có thể tối ƣu công suất phát đến mức có thể [2].

Các kiểu cấu trúc của bộ phát

Trong kiến trúc Direct Conversion đƣợc thể hiện ở hình 3.1, tần số sóng mang ngõ ra bằng với tần số dao động nội (LO) Điều chế (Modulation) và chuyển đổi tần lên (up conversion) xảy ra trong cùng một mạch.[3]

Hình 3.1 Kiến trúc Direct Conversion của bộ phát

Kiến trúc bộ phát Direct Conversion đƣợc sử dụng nhiều vì đơn giản, khả năng tích hợp cao và tiêu tán công suất thấp Bên cạnh đó, kiểu kiến trúc này có nhƣợc điểm Nhƣợc điểm lớn nhất của kiến trúc này là gây ra hiện tƣợng “LO pulling”, gây ảnh hưởng đến bộ dao động nội bởi công suất ngõ ra, được thể hiện ở hình 3.2

Hình 3.2 Hiện tƣợng LO pulling gây ra bởi PA

Hiện tƣợng này sinh ra do công suất ngõ ra của mạch khuếch đại có công suất lớn và có phổ tín hiệu nằm gần tần số LO Mặc dù có sự cách ly giữa khối VCO với các khối khác nhưng tín hiệu có công suất lớn ở ngõ ra PA có thể ảnh hưởng và làm sai lệch tần số của bộ dao động Sự ảnh hưởng này xảy ra thông qua việc tín hiệu ngõ ra PA “injection pulling” hoặc “injection locking”, khi đó tần số của bộ dao động có khuynh hướng dịch chuyển theo tần số của tín hiệu kích thích bên ngoài (trong trường hợp này là PA)

Hình 3.3 Injection pulling as the magnitude of the injection noise increases

Nhƣ hình 3.3, nếu tần số của tín hiệu gần với tần số tự nhiên của bộ dao động, khi đó ngõ ra của bộ dao động nội sẽ bị xáo trộn có độ lớn càng lúc càng tăng và dẫn đến tín hiệu đó sẽ bị “blocking”

Hiện tƣợng “LO pulling” sẽ giảm đáng kể nếu phổ tín hiệu của mạch khuếch đại nằm đủ xa so với tần số dao động nội Điều này đƣợc thực hiện bằng cách

“offsetting” tần số LO, nghĩa là sẽ cộng hoặc trừ tần số ở ngõ ra của bộ dao động khác Hình 3.4 là một ví dụ Tín hiệu ngõ ra của VCO 1 và VCO 2 đƣợc đƣa vào bộ mixer, khi đó, tần số sóng mang bằng   1  2 cách xa hơn nhiều so với  1 và  2

Hình 3.4 Direct conversion transmitter with offset LO [3]

Kiến trúc Heterodyne giảm đáng kể "LO pulling" nhờ chuyển tín hiệu baseband đổi tần lên hai lần, tạo khoảng cách xa hơn giữa phổ tín hiệu ngõ ra của PA và tần số VCO Như Hình 3.5, tín hiệu baseband I và Q được điều chế bởi tín hiệu tần số 1 (tần số trung gian IF) và được upcoverted lên tần số 1 + 21 thông qua bộ trộn tín hiệu và bộ lọc thông dải passband.

Hình 3.5 Kiến trúc bộ phát Heterodyne [3]

Bộ lọc thông dải (BPF) đầu tiên loại bỏ hài sóng của tín hiệu tần số trung gian (IF), trong khi bộ lọc thứ hai loại bỏ tần số của tín hiệu không mong muốn  1  2 Ưu điểm của kiến trúc tần số trung gian (Heterodyne) là khi được điều chế vuông pha tại tần số thấp, I và Q phù hợp với tầng tiếp theo, giúp giảm thiểu ảnh hưởng qua lại giữa hai dòng bit Ngoài ra, bộ lọc kênh ở tần số IF cũng có thể được sử dụng để hạn chế nhiễu trong quá trình truyền dẫn.

Nhƣợc điểm của kiến trúc Heterodyne là bộ lọc thứ hai loại bỏ tần số không mong muốn có tần số lớn, vì thế bộ lọc này thường được thiết kế off-chip, chi phí tương đối lớn khi thiết kế

3.2.3 Kiến trúc bộ phát khác

Ngoài những kiến trúc bộ phát trên, còn có các kiến trúc bộ phát khác nhƣ:

- Kiến trúc Offset PLL - Kiến trúc OOK

Thiết kế cấu trúc bộ phát cho hệ thống Zigbee

3.3.1 Cấu trúc và các thông số của bộ phát ZigBee đã đƣợc công bố

Bảng 3.1 so sánh một số kết quả thiết kế của hệ thống bộ phát ZigBee đã đƣợc công bố trên các bài báo khoa học gần đây:

Bảng 3.1 So sánh thông số của một số máy phát ZigBee đã đƣợc công bố

Architecture DCT DCT DCT DCT

3.3.2 Đề xuất cấu trúc của bộ phát ZigBee để nghiên cứu

Sau khi nghiên cứu lý thuyết và tham khảo các bài báo về thiết kế máy phát ZigBee, so sánh ƣu nhƣợc điểm của các dạng mạch trong từng khối của bộ phát, người thực hiện đề tài quyết định chọn cấu trúc Direct Conversion được thể hiện ở hình 3.6 để nghiên cứu vì cấu trúc Direct Conversion là phù hợp nhất đối với hệ thống Zigbee [8] với các đề xuất có một số cải tiến sau:

Thiết kế mạch khuếch đại công suất lớp AB dạng vi sai giúp nâng cao công suất ngõ ra tới khoảng 10dBm, đồng thời cải thiện hiệu suất của mạch khuếch đại công suất lên trên 30% Giải pháp này được thực hiện bằng cách kết hợp các kỹ thuật thiết kế tiên tiến, tối ưu hóa cấu trúc mạch và sử dụng các linh kiện chất lượng cao để giảm thiểu tổn hao và tăng cường năng suất khuếch đại.

- Thiết kế mạch driver có thể thay đổi được độ lợi nhằm điều chỉnh linh hoạt mức độ khuếch đại tín hiệu đầu vào.- Thiết kế mạch trộn chuyển đổi tần lên dạng thụ động có độ tuyến tính cao giúp duy trì mức độ méo thấp và phạm vi động rộng, đảm bảo độ chính xác của tín hiệu đầu ra.- Thiết kế mạch bandgap cung cấp điện áp chuẩn ổn định và không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện áp, đóng vai trò quan trọng trong việc cấp nguồn cho hệ thống với mức điện áp chính xác, đảm bảo hoạt động ổn định của các khối chức năng.

Hình 3.6 Cấu trúc bộ phát phần cao tần của hệ thống ZigBee 3.3.3 Thiết kế sơ bộ thông số các khối trong hệ thống sử dụng phần mềm

Thông thường, phần cao tần của bộ phát trong hệ thống ZigBee được thiết kế có độ lợi khoảng 20dB [4] Với công suất phát ở ngõ ra đƣợc đề xuất khoảng 10dBm, tương nhượng các giá trị của từng khối trong phần cao tần của bộ phát kết hợp tham khảo các bài báo về thiết kế hệ thống ZigBee, thông số của các khối phần cao tần trong máy phát đƣợc thiết kế nhƣ bảng 3.2 Từ phần mềm AppCad, hình 3.7, ta có thể dễ dàng tính toán các thông số liên quan đến hệ thống máy phát đã thiết kế

Bảng 3.2: Bảng tóm tắt các thông số thiết kế ban đầu của các khối phần cao tần của máy phát ZigBee

- Mixer dạng thụ động - G = -12dB

- Hệ số cách ly cao - OIP3 = -14dBm

- PA lớp AB, Pout = 10dBm - PAE > 30%

Hình 3.7 Tính toán các thông số cơ bản của hệ thống sử dụng phần mềm

Kết luận

Việc lựa chọn cấu trúc bộ phát để nghiên cứu và thiết kế là công việc đầu tiên đóng vai trò rất quan trọng, đặc biệt với sự phát triển khoa học ngày càng tiến bộ, việc sử dụng tối ƣu các vùng tần số cho các ứng dụng là ngày càng cấp thiết, quyết định đến việc thiết kế thành công và tối ƣu đƣợc hệ thống sau này Tùy thuộc vào từng tiêu chuẩn, từng ứng dụng cụ thể mà lựa chọn cấu trúc bộ phát cho hợp lý để tránh hiện tượng ngoài ý muốn sang các kênh lân cận ví dụ như trường hợp can nhiễu, làm cho hệ thống hoạt động không còn đúng nữa Đối với hệ thống ZigBee đòi hỏi sử dụng nguồn năng lƣợng thấp nên cấu trúc máy phát theo kiểu Direct Conversion đƣợc lựa chọn để nghiên cứu và thiết kế.

THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại công suất

Mạch khuếch đại công suất là khối chuyển đổi từ nguồn năng lƣợng cung cấp DC thành công suất ở ngõ ra bằng cách khuếch đại tín hiệu ở ngõ vào, đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.5

Hình 4.5 Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất

Vì mạch khuếch đại công suất tiêu thụ hầu hết nguồn năng lƣợng trong hệ thống truyền thông không dây, đặc biệt là những hệ thống thông tin cầm tay, việc tối ƣu nguồn năng lƣợng cung cấp cho hệ thống là yêu cầu rất quan trọng để kéo dài thời gian sử dụng pin.Vì vậy, hiệu suất là thông số quan trọng nhất trong mạch khuếch đại công suất Hiệu suất của mạch khếch đại công suất đƣợc tính bởi: out DC

Với P out là công suất ngõ ra

P DC là công suất tiêu thụ của mạch khuếch đại Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hiệu suất được tính theo công thức trên không thể đánh giá hết chất lƣợng của mạch khuếch đại công suất khi chúng ta so sánh các mạch khuếch đại công suất khác nhau Để giải quyết vấn đề trên, hiệu suất có thể đƣợc tính theo một công thức khác đƣợc gọi là hiệu suất công suất thêm vào (PAE: Power-Added-Efficient) out in DC

VớiP in là công suất ngõ vào

4.3.2 Độ tuyến tính Độ tuyến tính của mạch khuếch đại đƣợc đặc biệt quan tâm để đánh giá chất lƣợng của mạch vì chúng có thể làm cho mạch hoạt động ở vùng phi tuyến gây ảnh hưởng đến công suất ngõ ra (to deliver a large output power) Độ tuyến tính của mạch khuếch đại có thể đƣợc đánh giá qua hai giá trị: điểm nén 1dB và điểm IIP3

Nguyên nhân gây ra sự phi tuyến của mạch khuếch đại công suất là do các phần tử tích cực trong mạch, một trong những phần tử quan trọng trong mạch khuếch đại công sất là mosfet mà độ hỗ dẫn g m của mosfet là nguyên nhân lớn nhất gây ra hiện tƣợng phi tuyến của mạch

Một thông số đặc trưng cần thiết trong mạch và hệ thống là méo biên độ phát sinh từ đặc tính truyền không tuyến tính Đặc tính này rất quan trọng trong thiết kế, phân tích, chế tạo và vận hành mạch và hệ thống.

(4.2) hết các mạch hoặc các hệ thống, tín hiệu đầu ra có thể bị bão hòa tùy theo mức biên độ tín hiệu đầu vào [9]

Giả sử ta có tín hiệu ngõ vào của hệ thống có phương trình như sau:

Tín hiệu ở ngõ ra ngoài thành phần tín hiệu vào ở tần số  đƣợc gọi là thành phần cơ bản, còn có các thành phần tín hiệu khác, có tần số là một số nguyên lần của tần số tín hiệu ngõ vào và các thành phần đó đƣợc gọi là hài bậc cao, cụ thể nhƣ sau:

Tín hiệu ngõ ra được thể hiện thông qua phương trình sau:

1 cos os os cos 1 os2 3cos os3

Từ biểu thức trên ta thấy rằng thành phần cơ bản của tín hiệu đầu ra có biên độ

  Ta có thể nhận xét rằng:

 Thông thường  3  0 nên biên độ của thành phần cơ bản của tín hiệu có xu hướng giảm khi công suất ngõ vào tăng Và khi đến một giá trị nào đó của giá trị ngõ vào làm cho công suất ngõ ra không còn tăng tuyến tính mà công suất ngõ ra lại giảm đi 1dB so với giá trị tuyến tính lý tưởng, giá trị đó được gọi là điểm nén 1dB

Vậy điểm nén 1 dB đƣợc xác định là mức tín hiệu ở đầu vào gây ra độ khuếch đại tuyến tính hay khuếch đại tín hiệu nhỏ giảm 1dB, hình 4.6 nếu  3  0 nếu  3  0

Hình 4.6 Điểm nén 1dB 4.3.2.2 Điểm chặn bậc 3 – IP3 (Third Intercept Point)

Giả sử ta có 2 tín hiệu ở ngõ vào của mạch khuếch đại có phương trình như sau:

Khi đó tín hiệu ở ngõ ra của mạch khuếch đại có phương trình:

V t  A cos t A cost  A cos t A cost  A cos t A cost

V out t A cos t A cos t cos t cos t cos t cos t

Các thành phần cơ bản ở tần số  1 và 2 :

Các thành phần IM: Ở tần số:  1  2 : 2 A A 1 2 cos  1  2  t 2 A A 1 2 cos  1  2  t

Ta nhận thấy rằng 2   1  2 và 2   2  1 rất gần với thành phần cơ bản khi hai giá trị   1 ; 2 nhỏ, đƣợc minh họa nhƣ hình 4.7

Thành phần tín hiệu cơ bản

Hệ thống phi tuyến ω 1 ω 2 ω sig ω 2ω 1 -ω 2 ω 1 ω 2 2ω 2 -ω 1 ω

Hình 4.7 Méo tín hiệu bị gây ra bởi IM3

Hầu hết các thành phần hài bậc cao đƣợc loại bỏ nhƣng các thành phần 2   1  2 và 2   2  1 thì rất khó bị loại bỏ, điều này làm giảm độ tuyến tính của mạch khuếch đại

Tóm lại, điểm chặn bậc 3 là công suất vào của mạch khuếch đại mà tại đó tín hiệu cơ bản và các thành phần bậc 3 gặp nhau ở đầu ra mạch khuếch đại Vậy, IP3 càng lớn càng tốt, hình 4.8

Công suất ngõ ra các mạch khuếch đại công suất là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất của mạch khuếch đại công suất

Công suất ngõ ra của mạch đƣợc tính bằng công thức:

2 2 2 2 2 out out out out out out

Với điện áp và công suất mong muốn, ta có thể tính đƣợc trở kháng ngõ ra của mạch khuếch đại Vì transistor có một số hạn chế nhƣ: điện áp đánh thủng, trở kháng, giới hạn điện áp cung cấp, công suất ngõ ra, khi thiết kế, chúng ta cần có sự quan tâm đến tất cả các yếu tố này một cách đồng bộ để có thể tránh đƣợc những hạn chế về công nghệ và đạt đƣợc tối ƣu của mạch thiết kế

4.3.4 Hệ số ổn định của mạch Độ ổn định của mạch khuếch đại công suất cũng cần đƣợc quan tâm trên toàn miền tần số Nếu vấn đề này không đƣợc quan tâm một cách cẩn thận, cho dù mạch khuếch đại công suất không ổn định tại một giá trị tần số nào đó nằm ngoài tần số hoạt động của mạch thì mạch khuếch đại công suất cũng không hoạt động, khi đó, nó sẽ trở thành một mạch dao động, làm cho hệ thống không còn hoạt động đƣợc nữa Điều kiện cần và đủ để mạch khuếch đại ổn định vô điều kiện là hệ số ổn định K phải lớn hơn 1 và hệ số đo ổn định B phải lớn hơn 0 Hệ số ổn định K và hệ số đo ổn định B đƣợc tính bằng công thức:

Phân loại các dạng mạch khuếch đại công suất

Mạch khuếch đại công suất có thể chƣa làm 2 loại:

- Loại mạch khuếch đại công suất tuyến tính gồm các lớp A, B, AB Hoạt động của các lớp này đƣợc mô tả qua góc dẫn 

- Loại mạch khuếch đại công suất phi tuyến (hay switching) gồm: C, E,

Hoạt động của các mạch khuếch đại công suất này dựa trên nguyên tắc đóng - mở các transistor

4.4.1 Mạch khuếch đại công suất tuyến tính

Tuy các mạch khuếch đại công suất lớp A, B, AB có góc dẫn  khác nhau hình 4.9 nhƣng ta có thể sử dụng chung một cấu hình mạch nhƣ hình 4.10 để thiết kế

Tùy thuộc vào góc dẫn mà ta có các mạch khuếch đại công suất khác nhau π 2π Ɵ

Hình 4.9 Dạng sóng của điện áp và dòng điện đi qua transistor của các lớp khuếch đại

Hình 4.10 Cấu hình chung đơn giản của mạch khuếch đại công suất 4.4.1.1 Khuếch đại công suất lớp A

Mạch khuếch đại công suất lớp A có góc dẫn  360 0 , hình 4.11 Góc dẫn đề cập đến thời gian mà dòng điện đi qua transistor, do đó đối với góc dẫn360 0 cho ta thấy rằng dòng điện dẫn qua transistor trong mạch khuếch đại công suất lớp A hoạt động trên toàn bộ chu kỳ Muốn phân cực cho transistor để nó hoạt động ở chế độ lớp A ta chỉ cần điện áp phân cực VBB lớn hơn điện áp ngƣỡng của transistor, hình 4.12

Mạch khuếch đại công suất lớp A tuyến tính nhất bởi vì điểm làm việc Q của transistor hoạt động tại điểm giữa của đặc tuyến tải cho phép điện áp cũng nhƣ dòng điện đạt max-swing hình 4.13

Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại lớp A đƣợc xác định nhƣ sau:

- Giả sử transistor M1 đƣợc phân cực với điện áp phân cực V BB , khi đó, tổng giá trị dòng điện đi qua cực D của M 1 đƣợc xác định bởi:

Trong đó, I D là dòng điện DC đƣợc tạo ra từ điện áp phân cực V BB và I m ax là giá trị đỉnh của dòng điện tại ngõ ra

- Điện áp tại cực D của M1 gồm giá trị điện áp phân cực V BB và thành phần điện áp AC và có giá trị:

- Công suất đƣợc cung cấp bởi điện áp V DD :

- Mặc khác, ta dễ dàng nhận thấy rằng ax

Do đó, hiệu suất lớn nhất của mạch khuếch đại lớp A có giá trị bằng:

Hình 4.11 Góc dẫn của một số dạng mạch khuếch đại

Hình 4.12 Điện áp phân cực của các mạch khuếch đại công suất lớp A, B, AB, C

Hình 4.13 Điểm làm việc tĩnh Q của các mạch khuếch đại lớp A, B, AB, C 4.4.1.2 Mạch khuếch đại công suất lớp B

Mạch khuếch đại công suất lớp B có góc dẫn bằng 180 0 Điện áp phân cực cho transistor của lớp B bằng giá trị điện áp ngƣỡng V T của transistor đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.12

Theo lý tưởng, mạch khuếch đại công suất lớp B hoạt động tại dòng điện tĩnh qua transistor bằng 0, do đó, công suất tiêu thụ nguồn DC nhỏ nên hiệu suất của mạch khuếch đại công suất lớp B cao hơn mạch khuếch đại công suất lớp A

Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại lớp B đƣợc xác định nhƣ sau:

- Giả sử ta có giá trị dòng điện và điện áp trên tải của mạch khuếch đại lớp B tương tự như lớp A như sau:

 - Do mạch khuếch đại lớp B chỉ hoạt động ở nữa bán kỳ nên ta có:

- Khi đó, dòng điện I D (thành phần DC) có giá trị bằng:

- Công suất đƣợc cung cấp bởi nguồn DC

- Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại lớp B đƣợc xác định bởi:

4.4.1.3 Mạch khuếch đại công suất lớp AB

Mạch khuếch đại công suất lớp AB là sự kết hợp giữa hai mạch khuếch đại công suất lớp A và lớp B Góc dẫn hoạt động trong mạch khuếch đại công suất lớp AB nằm trong khoảng từ 180 o đến 360 o Bằng cách thay đổi góc dẫn lớp AB ta có thể có đƣợc mạch khuếch đại công suất lớp A và lớp B, vì thế hiệu suất tối đa của mạch khuếch đại công suất lớp AB nằm trong khoảng từ 50% đến 78.5%

4.4.2 Mạch khuếch đại phi tuyến 4.4.2.1 Mạch khuếch đại công suất lớp C

Mạch khuếch đại công suất lớp C hoạt động gần giống mạch tuyến tính với góc dẫn từ 0 đến 180 độ, điện áp phân cực nhỏ hơn điện áp ngưỡng Mạch có thể đạt hiệu suất 100% tại góc dẫn 0 độ, nhưng công suất ngõ ra bằng 0 Mặt khác, hiệu suất càng cao thì công suất ngõ ra càng thấp, khiến mạch khuếch đại công suất lớp C không phù hợp cho mạch thu phát vô tuyến do công suất ngõ ra rất quan trọng trong thiết kế hệ thống.

4.4.2.2 Mạch khuếch đại công suất lớp E

Mạch khuếch đại công suất lớp E về cơ bản có sự khác biệt so với các mạch khuếch đại công suất đã thảo luận trên Các mạch khuếch đại tuyến tính đƣợc mô tả thông qua góc dẫn , tùy thuộc vào góc dẫn mà ta có các mạch công suất khác nhau Đối với mạch khuếch đại công suất nhƣ lớp E nhƣ hình 4.14a thì transistor theo lý tưởng chỉ hoạt động ở hai trạng thái đóng và mở Điều kiện của điện áp và dòng điện trong mạch khuếch đại lớp E là điện áp rơi trên các switch phải trở về 0 khi switch ở trạng thái “ON” và sẽ xuất hiện dòng điện qua transistor và ngƣợc lại

Dạng sóng của điện áp và dòng điện trong mạch khuếch đại công suất lớp E đƣợc thể hiện nhƣ hình 4.14b, điện áp và dòng điện có sự đan xen nhau Điều kiện này nhằm tránh gây tiêu hao năng lƣợng do sự chồng chất dòng điện và điện áp rơi trên transistor Vì thế, theo lý tưởng thì mạch khuếch đại công suất lớp E sẽ không bị tiêu tán công suất nên hiệu suất của mạch khuếch đại lớp E có thể đạt đƣợc 100%

Hình 4.14 Mạch khuếch đại công suất lớp E và dạng sóng điện, dòng điện qua transistor Tóm lại, để tóm tắt các dạng mạch khuếch đại công suất, ta tiến hành lập bảng so sánh giữa các dạng mạch khuếch đại công suất nhƣ bảng 4.1

Bảng 4.1: Bảng tóm tắt các dạng mạch khuếch đại công suất

Lớp Loại mạch Góc dẫn

Hiệu suất lớn nhất (%) Độ lợi Độ tuyến tính

B 50 Trung bình 78.5 Trung bình Trung bình

AB [50; 100] Trung bình [50; 78.5] Trung bình Trung bình

C Phi tuyến 30%, dùng cấu trúc mạch cascode với những lý do sau:

- Công nghệ CMOS ngày càng phát triển với chiều dài kênh ngày càng thu hẹp lại nên điện áp ngƣỡng và điện áp đánh thủng của transistor ngày càng giảm Khi thiết kế mạch khuếch đại công suất cần chú ý đến điện áp đánh thủng của transistor Điện áp đánh thủng của transistor là giá trị điện áp đặt vào cực của mosfet làm cho mosfet bị đánh thủng Mạch cascode giải quyết đƣợc vấn đề trên, hình 4.20 Ngoài ra, mạch cascode còn có tác dụng cách ly giữa ngõ vào và ngõ ra và tăng độ lợi của mạch khuếch đại công suất Nhƣng mạch khuếch đại có cấu hình cascode lại gặp nhƣợc điểm sau: điện áp cung cấp nguồn DC phải cao hơn vì thế công suất tiêu thụ nguồn DC cũng cao hơn so với cấu trúc chỉ có một transistor làm cho hiệu suất của mạch khuếch đại giảm

- Theo lý thuyết, tín hiệu điều chế trong điều chế ZigBee là điều chế OQPSK là kiểu điều chế pha chỉ mang thông tin về pha, không mang thông tin về biên độ vì theo đúng lý thuyết ta có thể dùng mạch khuếch đại công suất tuyến tính và phi tuyến để thiết kế nhƣng khi xét trong hệ thống ngoài thực tế, điều chế OQPSK có phổ biên độ là hàm Sa, vì thế có thể gây can nhiễu (ISI) cho các kênh lân cận, để tránh tình trạng này, người ta đã gắn thêm trong hệ thống bộ Pulse Shaping để giới hạn phổ của tín hiệu, nhƣng khi gắn thêm bộ này vào thì làm cho biên độ của tín hiệu trở nên không còn là hằng số nữa, vì thế cho chỉ có thể lựa chọn mạch khuếch đại công suất tuyến tính để thiết kế mạch khuếch đại công suất

- Trong mạch khuếch đại công suất tuyến tính có các lớp A, B, AB Tương nhƣợng giữa các yếu tố tuyến tính, hiệu suất thì lớp AB là tối ƣu nhất để thiết kế

- Tham khảo các bài báo khoa học đã đƣợc công bố thì mạch khuếch đại công suất có công suất ngõ ra thấp khoảng vài dBm Kết hợp với việc tham khảo thông số của các chip Zigbee ngoài thị trường ví dụ như chip Zigbee CC2530, CC2531…Các chip Zigbee này có công suất ngõ ra khoảng 8dBm Do đó, người thực hiện đề tài quyết định lựa chọn thiết kế công suất ngõ ra bằng 10dBm với mạch khuếch đại công suất lớp AB và cải thiện hiệu suất của mạch khuếch đại công suất > 30%

4.7.1 Nguyên lý hoạt động của mạch cascode

Cấu hình cascode là sự sắp xếp giữa tầng nguồn chung và tầng cổng chung Trong cấu hình này, transistor M2 đóng vai trò là thiết bị đầu vào, tạo ra dòng điện Id chảy qua mạch điện Transistor M1, còn được gọi là thiết bị cascode, có nhiệm vụ điều khiển dòng điện này, giúp tăng cường độ khuếch đại và giảm tạp nhiễu của mạch.

Hình 4.20 Cấu hình mạch cascode

- Đầu tiên, ta xét điều kiện phân cực của mạch cascode:

Khi M 1 hoạt động trong chế độ bão hòa:

Nếu M1 và M 2 đều nằm trong miền bão hòa thì khi đó V X đƣợc xác định bởi V b :

Vì V b  V GS 2  V in  V Th 1 , do đó:

V  V  V  V Để M 2 bão hòa V out  V b  V Th 2 , nghĩa là:

1 2 2 out in Th GS Th

(với V b đƣợc chọn sao cho M 1 hoạt động ở biên giới miền bão hòa) Bởi vậy giá trị nhỏ nhất của tín hiệu ra mà ở đó transistor vẫn hoạt động trong miền bão hòa bằng với hiệu điện thế dƣ của M 1 cộng với hiệu điện thế dƣ của M 2 Nói cách khác, việc thêm M 2 vào mạch giảm hiệu điện thế đầu ra cực đại ít nhất một đoạn bằng hiệu điện thế dƣ của M2

- Khảo sát trạng thái của mạch cấu hình cascode:

+Với V in  V Th 1 , M 1 và M 2 tắt, V out  V DD và V X  V b  V Th 2

+Nếu V in vƣợt qua giá trị V Th 1 , M 1 bắt đầu tạo ra dòng điện và V out giảm

+Khi I D 2 tăng, V GS 2 cũng phải tăng và làm cho V X giảm Khi V in nhận giá trị đủ lớn, 2 hiệu ứng sau sẽ xảy ra:

(1) V X giảm xuống dưới V in một đoạn V Th 1 làm cho M 1 rơi vào miền hoạt động triode

(2) V out giảm xuống dưới V b một đoạn V Th 2 làm cho M 2 rơi vào miền hoạt động triode Khi thiết kế mạch cascode ở tần số cao, người ta thường không dùng điện trở

R D để tránh tổn hao công suất cũng nhƣ tránh hiện tƣợng dòng điện phân cực không ổn định do nhiệt gây ra bởi điện trở, người ta dùng cuộn dây được gọi là cuộn chặn cao tần (Radio Frequency Choke – RFC) Cuộn dây này có tác dụng cho nguồn điện một chiều đi qua và ngăn điện áp xoay chiều Ở tần số siêu cao, do hiện tƣợng hiệu ứng da, người ta sẽ thay thế cuộn dây bằng đường dây truyền sóng có chiều dài bằng 4

Ngoài ra, nhằm mục đích tăng phần thực của trở kháng ngõ vào, người ta còn gắn thêm cuộn dây ở cực S của M 1 nhƣ hình 4.21 Khi đó, trở kháng ngõ vào của mạch khuếch đại đƣợc xác định nhƣ sau: m s 1 in s gs o gs

Hình 4.21 Cấu trúc của mạch cascode thường dùng ở tần số cao

4.7.2 Thiết kế mạch phân cực cho mạch khuếch đại Để thiết kế mạch phân cực cho mạch khuếch đại, người ta thường dùng mạch khuếch đại nguồn chung với tải điện trở nhƣ hình 4.22 Mosfet sẽ chuyển đổi điện thế V GS thành dòng điện tín hiệu nhỏ, có thể đi qua điện trở để tạo một hiệu điện thế đầu ra

Hình 4.22 Mạch phân cực cho mạch khuếch đại công suất

- Khi V in tăng từ 0 đến dưới ngưỡng V Th , M 1 tắt và V out = V DD

- Khi V in đạt giá trị V Th , M1 bắt đầu hoạt động, tạo ra dòng điện chạy qua S, D và làm giảm giá trị V out Nếu V DD không quá thấp thì M 1 sẽ hoạt động ở vùng bão hòa, khi đó:

- Để đơn giản hóa bài toán, ta bỏ qua sự thay đổi chiều dài kênh dẫn thì với giá trị V in càng tăng thì giá trị V out càng giảm và thiết bị tiếp tục hoạt động trong miền bão hòa Khi V in vƣợt qua V out một lƣợng V Th , tại điểm này:

Từ giá trị V in 1  V Th , ta có thể tính đƣợc V out

- Với những giá trị V in  V in 1 , M 1 hoạt động ở vùng triode

2 2 out D n in TH out out

4.7.3 Điều khiển mạch khuếch đại công suất sang trạng thái đợi (trạng thái ngủ)

Trong một số trường hợp, mạch khuếch đại công suất không cần phát công suất thì mạch phải đƣợc điều khiển để mạch này chuyển sang trạng thái đợi Việc điều khiển đó đƣợc thực hiện bởi vi điều khiển đƣợc đặt ở off-chip thông qua các nguồn điện áp phân cực của transistor Muốn mạch khuếch đại công suất hoạt động hay

(4.35) không chỉ cần điều khiển trạng thái đóng mở điện áp phân cực này Đây làm một giải pháp nhằm tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, tránh phát công suất lãng phí không cần thiết

4.7.4 Thiết kế mạch khuếch đại công suất

Thiết kế mạch driver

Mạch khuếch đại công suất sẽ không đƣợc tối ƣu nếu công suất phát ở ngõ ra không thể thay đổi khi khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu thay đổi vì nếu ở khoảng cách gần mà công suất phát vẫn bằng với khi ở khoảng cách xa thì gây ra hao phí công suất không cần thiết Một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là sử dụng mạch driver có khả năng thay đổi công suất ngõ vào của mạch khuếch đại công suất Mạch driver sẽ đƣợc điều khiển để tăng hoặc giảm số lƣợng các tầng khuếch đại để có thể thay đổi độ lợi của driver

4.8.1 Các thông số cơ bản

Về cơ bản, mạch driver đóng vai trò là mạch khuếch đại công suất và được đánh giá dựa trên thông số tương tự Tuy nhiên, chức năng của mạch driver là tăng cường độ lợi cho mạch khuếch đại và có khả năng điều chỉnh độ lợi Các thông số đánh giá mạch driver gồm: công suất ngõ ra, hệ số ổn định Kf và độ tuyến tính.

Về nguyên tắc thiết kế mạch driver có thể thay đổi độ lợi, hoặc driver có công suất ngõ ra thay đổi, ta có thể dùng một trong các cách sau:

- Driver có độ lợi thay đổi: ta có thể thay đổi số lƣợng các tầng khuếch đại mắc song song [10] hoặc thay đổi điện áp phân cực của transistor

- Driver có độ lợi không đổi nhƣng có thể điều chỉnh công suất của tín hiệu ngõ vào để công suất ngõ ra thay đổi [11]

Mạch driver trong luận văn được thiết kế dạng biến đổi số tầng khuếch đại mắc song song và gồm 3 khối Tổng độ lợi mạch driver là 10dB, trong đó độ lợi khối 2 thay đổi được Do mạch khuếch đại công suất là vi sai nên mạch driver cũng được thiết kế vi sai Khối 1 và 3 cố định, cách ly giữa các khối, đảm bảo trở kháng đầu vào/ra không đổi để phối ghép trở kháng giữa driver với bộ trộn và mạch khuếch đại công suất, truyền đạt công suất tối ưu giữa các tầng.

Khối 2 được điều khiển bởi Vc1, Vc2 tương ứng 4 trạng thái là (Vc1, Vc2);

(Vc1, 0); (0, Vc2); (0, 0) Tầng 1 đƣợc điều khiển bởi Vc1 và tầng 2 điều khiển bởi Vc2 Ở tầng khuếch đại nào của khối 2 có điện áp điều khiển bằng không thì tầng đó sẽ ngừng hoạt động tương tự như mạch khuếch đại công suất Gọi W1 là chiều rộng của các transistor ở tầng 1 thì chiều rộng của các transistor ở tầng 2 là W2 30%) Ngoài ra, mạch bandgap reference được thiết kế để cung cấp điện áp ổn định cho các khối hoạt động trong hệ thống, bất kể nhiệt độ thay đổi.