Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế phần cao tần bộ thu của đầu đọc RFID dùng công nghệ CMOS 0.18 μm

Cuối cùng, sau khi mô phỏng các thông số của hai khối này phù hợp với dựtính thiết kế, khối khuếch đại nhiễu thấp và khối đôi tan được ghép nhau thành phancao tần bộ thu của đầu đọc RFID

TRẢN KIM VŨ

THIẾT KE PHAN CAO TAN BO THU CUA ĐẦU ĐỌC RFID

DUNG CONG NGHỆ CMOS 0.18 pm

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, thang 06 năm 2014

Cán bộ cham nhận xét | : Tiến sĩ Lê Chí Thông

Cán bộ cham nhận xét 2 : Tiến sĩ Nguyễn Minh Hoàng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bach Khoa, DHQG Tp.HCM ngày 15 tháng 07 năm 2014

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi cua Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)1 Tiến sĩ Hoàng Trang

2 Tiến sĩ Lê Ngọc Phú3 Tiến sĩ Lê Chí Thông4 Tiến sĩ Nguyễn Minh Hoàng5 Tiến sĩ Huỳnh Phú Minh CườngXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn và Trưởng Khoa quảnlý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRAN KIM VŨ - s2 56s ceEseseeeei MSHV: 12140062

Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1985 << ++ssss Nơi sinh: Khánh Hòa

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - - -c-cscs 55c: Mã số: 605270I TEN DE TÀI: THIẾT KE PHAN CAO TÂN BỘ THU CUA ĐẦU ĐỌC RFID

DUNG CONG NGHỆ CMOS 0.18 pm.

H NHIỆM VU VA NỘI DUNG :e Tìm hiểu hệ thong RFID trong đó tập trung vào bộ thu cua UHF RFID reader

(dau doc the).

e Nghiên cứu, thiết kế mức độ hệ thống của bộ thu.e Nghiên cứu, thiết kế RF front-end (phan cao tan) của bộ thu bao gồm khối

khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và khối đối tan (Mixer).e Tập trung nâng cao độ lợi, hệ số nhiễu và tuyến tính của LNA và Mixer.Ill NGÀY GIAO NHIEM VU : 10/02/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 20/06/2014V CÁN BO HUONG DAN : TS HUYNH PHU MINH CƯỜNG

Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG TS HUỲNH PHU MINH CƯỜNG

TRƯỞNG KHOA

TS DO HONG TUẦN

Chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tử - TrườngĐại Học Bách Khoa Tp Hồ Chi Minh đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt kiến thứcvà giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường.

Chan thành cam ơn Phong Đào Tao Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách

Khoa Tp Hồ Chi Minh đã tao điều kiện tốt cho tôi về trang thiét bi va tai liéu hoctập trong suốt khóa học

Chan thành cam ơn các bạn học viên cao học K2012 và gia đình đã ung hộ,giúp dé tôi trong hoc tập và thực hiện Luận văn nay.

TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014

Tran Kim Vu

As the capabilities of wireless hand-held devices increase rapidly, morepressure is placed on the performance of RF transceiver front-end The primaryobjective of this research is to design a RF front-end receiver of RFID reader withincreased power gain, reduced noise figure and maximized linearity This designwill be implemented on CMOS 0.18 wm technology due to its advantages in systemintegration and low-cost mass production This thesis illustrates the optimisation ofCMOS RF front-end components which include low noise amplifier block andmixer block for 868Mhz UHF RFID readers.

The research’s low noise amplifier has two stages The first stage is used toamplify single ended signal at input port from antenna This stage is designed bysource inductive degeneration topology that is easy to match with 50 Ohmresistance and has low noise compared to other topology The second onetransforms single ended signal to differential signal going into next block which ismixer The topology of thesis’ mixer is double balanced mixer that almost has noLO feedthrough at output port Mixer I va Q are designed to become a unit mixerwith output ports that are port I and port Q.

Finally, after modulation for parameters of two blocks that are suitalbe forplaned parameters, low noise amplifier block and mixer block are combined into RFfront-end receiver.

bang công nghệ CMOS 0.18 wm bởi vì những thuận lợi của nó trong khả năng tíchhợp mạch cao cùng với chi phí sản xuất rẻ hơn so với các công nghệ khác Luận vănsẽ chủ yếu thiết kế khối khuếch đại nhiễu thấp và khối đối tan cho đầu đọc 868 Mhz

UHF RFID.

Khối khuếch đại của dé tai gồm hai tang Tang dau tiên được dùng dé khuếchđại tín hiệu đơn cực tại ngõ vào đến từ anten Tầng này được thiết kế dựa theo cầutrúc source inductive degeneartion bởi khả năng khối hợp trở kháng với 50 Ohm dễdàng và có hệ số nhiễu thấp hơn so với các cấu trúc khác Tầng thứ hai dùng đểchuyến tín hiệu đơn cực thành tín hiệu vi sai dé đưa vào khối đổi tần Cấu trúc khốiđổi tan được chọn là đổi tan cân bằng kép bởi rò rỉ từ LO tại ngõ ra là rất thấp Khôiđổi tần gồm cả hai tín hiệu ngõ ra I và Q là kết quả của sự kết hợp khối đối tan I vàQ thành một khối đổi tần duy nhất

Cuối cùng, sau khi mô phỏng các thông số của hai khối này phù hợp với dựtính thiết kế, khối khuếch đại nhiễu thấp và khối đôi tan được ghép nhau thành phancao tần bộ thu của đầu đọc RFID hoàn chỉnh

Tôi xin cam đoan: Luận Văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi,

không có sự sao chép kết quả trong bat cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trướcđây, Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy TS Huỳnh Phú

Minh Cường.

Các số liệu, các kết luận nghiên cứu được trình bày trong Luận Văn hoàn

toàn trung thực, Luận Văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu được đăng tải trên

các hội nghị, tạp chí, bài báo và trang web được dé cap trong phan tài liệu tham

khảo.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên.

TPHCM, ngày 20 thang 06 nam 2014

Học viên thực hiện

Ký tên

KS Trần Kim Vũ

1.2 Mục đích, phạm vi và phương pháp nghiên cứu - «5< «<< seeess 3

1.3 Đóng góp của dé tài - St tt T11 1 1511111110111 1111 1101 0111010110101 11 11g re 31.4 Cấu trúc luận văn -:- - s11 11191 111 5 1111912111 011111111110 1g 4CHƯƠNG 2: TONG QUAN VE REID VÀ CMOS RFIC -.5 5° << 5

Giao thức từ đầu đọc đến thé 6 tt E119 E5 919151 3E 111158 5 111g rxcrei 12Giao thức từ thẻ đến đầu dC ccccsscsecessssececscesescevscecececsevevscscecsesevacaceeeevacseeeeeeeees 13

2.2.5 Những thuận lợi và ứng dụng của RFID Ă Ăn 1 ng 14

2.3 Thiết kế CMOS REIC - 5G SE 1 1E 123 1515151121 11111111 1111111111111 l62.3.1 Thách thức của thiết kế REÏIC ¿2 - + 2+2 +E+E+E£EEEE£E£E+EEEEErErErErrrreee l62.3.2 Quy trình thiết kế IFÏC - + 2 2E E2 EEEE£E#EEEEEEEE SE E111 18CHƯƠNG 3: TONG QUAN VE BO THU CAO TẢN 5- 5 5 << <5 << 20

3.1 Giới thiỆU - ¿5S 1 SES3 15 1 1111121115 11115 1111151111151 1111111111111 111111111 cv 20

3.2 Thông số trong bộ thú -¿- - ¿6 52289 SESE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETErkrkrrrrrrree 203.2.1 Hệ số nhiễu (NE) -.- G1191 E191 91 1 1E 111211 1 111011113 ng 203.2.2 Độ tuyến tính (Linearity) ¿-¿- - 5< 525623 SE SE E151 1 1211111511111 1E 21

3.2.3 DO nhạy bộ thu (Sensitivity) ecceeeeeesssssssneeeeeeeeeeeeeeeeeesssesnaeeeeeeeeeees 253.2.4 Chon lọc kênh lân can (Adjacent Channel SelectIVIty) «<<- 26

3.2.5 Tam động (Dynamic Range), ¿- + 62s SE2x‡EEEEEEkrkrkrrkrkrrerred 263.3 Câu trúc các bộ thU - + kkSxSE191 21 1 E51 91 91 811 E111 119 5111115113 E11 ree 273.3.1 Bộ thu đối tần một lần (Heterodyne), - + + 55+ + 2£s+Eze+ezrrsrereee 27

3.3.2 Bộ thu doi tần hai lần (Superheterodyne) + + 5s s+s+c+csczcxceresree 31

3.3.3 Bộ thu LOW ÍÍE Q1 1111 1 11T 1n 110 086556 32

3.3.4 Bộ thu đối tần trực tip -. 5 +52 S221 1E 1212121511111 111111 17111101111 xe 333.4 Tính toán thông số cho bộ thu ¿- - ¿2 52 SE+E+E££E+E+EE£E£EeEEEEeErEererkrrrerree 35CHƯƠNG 4: KHOI KHUECH ĐẠI NHIÊU THẤP 5 5 5 5° 39

4.1 Giới thiỆU - - c5 S23 1E E1 1515111115111 1511111111511 1115111111111 0101010171 11g 39

4.2 Thông số của khối khuếch đại nhiễu thấp - +5 2 25s+s+S++s+x+zszszxze: 394.3 Các cau trúc khối khuếch đại nhiễu thấp - + ¿2-5-5 2 2+s+s+£+£z££szsce+ẻ Al4.3.1 Mạch khuếch đại đơn CUC c.ceccccccscsesssscsessssesecsssesscsesesscsesessssesessesesesesseseeeeees 414.3.2 Mạch khuếch đại vi Sai c1 19128 1E 111121 1xx reered 454.4 Thiết kế và mô phỏng - ¿2 525629222393 E933 1211121212121 1112111 x xe AT4.4.1 Tinh toán, phân tích và thiết kế .- ¿+ - 2 2+++S++E+E+E£EvEeEerxrrerererree 474.4.2 Kết quả mô phỏng - ¿6 5£ SE+E9EE 2x32 EEEEE2E123 12121111211 52CHƯƠNG 5: KHÔI ĐÔI TAN -5° 5555 S5 S92 sSsS2EEsE2EEsE5591 5551555 57

5.1 Giới thiỆU - 5c - S221 SE 15 11121515 111115 1111151111511 1115 110111111111 01 1101.1111 y0 57

5.2 Thông số của khối đổi tần - ¿5252 5221239222391 EE2321 21211112111 e xe 575.2.1 Độ lợi chuyển đổi - 552213 1 E1 1 1115111111111 1111111111111 585.2.2 Hệ số nhiỄU G-G- E1 5191219113 5191515811 111015111 0 011111011 1g 585.2.3 Độ tuyến tinh - - + 6+6 E1 321115151511 11 1115111111 11111 011111051111 gx 6 595.2.4 Hệ số cách 0E 605.3 Các cau trúc khối đổi tần - ¿6E S2 5 121 1512151121 111151111 11111111111 xe 615.3.1 Khối đối tần cân bang đơn + + ¿2E 2 22523 E9 E1 E23 11211121111 xe 625.3.2 Khối đổi tần cân băng kép -¿- 55222222 E232 2x3 E211 E2 Erkrree 645.4 Thiết kế và mô phỏng ¿- - ¿5 5222252 E‡E#EEEE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrrrrkrree 665.4.1 Tính toán, phân tích và thiết KẾ .cccccccccsesesesessesessssessseesesssessssessessseeeeseees 665.4.2 Kết quả mô phong ccecccccccccssscssssssesscsssessesesesscsssesscsesesscsesecscsesscsssesscsssesseseaeees 70CHƯƠNG 6: PHAN CAO TAN BỘ THU CUA DAU DOC RETD 77

6.1 Giới thiỆU - 5E S2 SE 15E5E12151511111511 11151111511 1111 1111111111101 1101.0111 y0 77

6.2 Ghép khối nhiễu thấp và trộn tan ¿+ +52 Set 2E‡ESE2EEEEEEEEEerkrkrrrreee 776.3 Kết quả mô phỏng - ¿2 5£ S6+E+S£SE+E+EEEE£E#EEEEEEEEE 2331211212111 11 79

LY LICH TRÍCH NGAINGG 5- < 5£ < s£ «se se se se SE seseEsesersessre 88

DANH MỤC HÌNH VE

Hình 2.1 Hệ thống RFID [4| ¿5:2 52252 2E2E2E2E2121212122121211212121211111 11121 cty 6Hình 2.2 Băng tan hoạt động của hệ thống RFID - 2 ©652©2S+222E£EE2E£EvzxzEczxzxee 7Hình 2.3 Cặp cảm ứng và bức xạ giữa anten đầu đọc và thé [4] -. - ¿255255 8Hình 2.4 Các loại thẻ trong hệ thống R.FID ¿2-5 52+E222SE2E2EE2E£EE2EEEE2EEE2E 2xx 9Hình 2.5 Thành phân trong thé thụ động và EPC - ¿©5522 +2E+E££E2Eczzxezzrxre 10

Hình 2.6 Ba chức năng chính của IC thẻ UHF RFID [4] . 5555 ss+++<<<s++2 10Hình 2.7 Nguyên lý backscattering [2{] - - + 1111199 v9 ng nh II

Hình 2.8 Điều chế ASK nhờ thay đổi trở [5] - + - 2 22292 S22E+E£EE£E£EeEeEkrxrrerrsrkd 12Hình 2.9 Điều chế PSK nhờ thay đổi kháng [5] -¿- 52525252222 2Ec££xzzvzxzzee 12

Hình 2.10 Mã hóa PIE - - G1 E190 99199019 ng 13Hinh 2.11 M& FM 00 = 14Hình 2.12 Mã Miller với M=4 và 8 oo ee eeeeccceccesenececcesenneecceesseeeeeeeesseeeececeseaeeecenseaaaees 14

Hình 2.13 Những yêu tố can thiết cho thiết kế RFIC [8| : 2-5-5255 +2++zcz+zxee: 17Hình 2.14 Bát giác trong thiết kế RFIC [§] -¿- 5225522222223 2221221222 crkrree, 17Hình 2.15 SOC hoàn tat băng CMOS RFIC [9] -525- 5222 222E2E2 2212212111212 xe, 18Hình 2.16 Quy trình thiết kế CMOS RFIC [9] -¿- 52555222222 1232222122121 11 21222 2xee, 19Hình 3.1 Sơ đồ khối của bộ thu os eecsessesseesneessecsueesseessecsueesneesneesneeseeeeseesneesneeeeeeen 21Hình 3.2 Tổng quát một thiết bi phi tuyến - 2 cseseecesesesssseseesesssesteeeseesesee 22Hình 3.3 Xác định điểm nén 1dB cho mạch phi tuyễn -2-5- 252252 5+2S£z2x+zzzxzs 22Hình 3.4 Các thành phân hài sinh ra từ 2 tone [ [Ũ|] - << - <5 2c 2223311111 Yxxxssse 23Hình 3.5 Tác động lên tín hiệu của can nhiễu bậc 3 intermodualtion [ 10] - 24Hình 3.6 Điểm third order interC€p( ¿5-52 5222 39212E921212212152121211212111 21121211 xe 24Hình 3.7 Khối hợp trở kháng trong bộ thu -¿- 25522222 £E+E£22E£EE2EEEEErrrrkrxee, 25

Hình 3.8 Xác định (a) DR, (b) SFDR [ IŨ], - - 26 1121 E12301 119911 133511199 111g ngu 26

Hình 3.9 (a) Đổi tân trực tiếp băng cách trộn, (b) phố kết quả,, ¿+ 252552: 28Hình 3.10 (a) LO cỗ định, (b) IF cố định - - xxx Ek E111 EESE E1 1811111511111 cx 28Hình 3.11 Tan số ảnh ở máy thu heterodyne [ IÚ] - ¿5-5252 =2++£+£+zxezzxszzzxes 29Hình 3.12 Loại bỏ ảnh băng bộ lọc [LŨ ] - 21222 1111111113311 1 11111111 111v yyc 30

Hình 3.13 Tương nhượng giữa lọc bỏ ảnh và chọn kênh với (a) IF lớn và (b) IF nho 30

Hình 3.14 Bộ thu đổi tần hai lần [ 1 ] .- c2 S2 SE S3S8E8E2ESEE5E9E5EE5E5E2EEEE5E5EEE E515 E3 sec 31

Hình 3.19 LNA và Mixer trong bộ thu đổi tan trực tiẾp :- ¿52552 2cccczxsrcrxzxee, 36Hình 3.20 Kiểm chứng kết quả thiết kế băng AppCad -¿-5- ¿52252 S+2xcczxszzcxee 38Hình 4.1 (a) Khuéch đại CG, (b) ảnh hưởng của nhiễu M⁄,[10] 42Hình 4.2 (a) CS với tải tính chất kháng, (b) mạch tương đương có C, hồi tiếp [2] 42Hình 4.3 (a) CS với điện trở hồi tiếp, (b) mạch CS đơn giản [ 10] - 55-52 42

Hình 4.4 (a) CS với inductive degeneration, (b) kĩ thuật thêm tụ € 43Hình 4.5 Mạch tương đương tín hiệu nhỎ - - - - 5 132211131311 1119511111111 1 81kg 43Hình 4.6 Mạch tương đương hình 4.5 - - - 11112 111192111119 11 TH ng kg kh 44

Hình 4.7 Mạch khuếch đại vi sai điển hình ¿5255222222232 222E£EE2EEEzEcrrrkrxee, 45Hình 4.8 Mạch khuếch dai vi sai cổng chung ¿- 52 5222222232 222E£2E2EE2Ecxrrkrxee, 46

Hình 4.9 (a) Balune Cascode và LNA, (b) mạch tương đương (a), - «<< 5+ 46Hình 4.10 (a) Mạch vi sai CS LNA, (b) nửa mạch tương đương của nó - 47

Hình 4.11 So đồ mạch khuếch đại nhiễu thấp hoàn chỉnh - 2-5 2552 2252x252: 51Hình 4.12 Layout của mạch khuếch đại nhiễu thấp - 2 - 25 22252 5++xe£zx+zzzxzs 51Hình 4.13 Kết quả S21 của LNA - 2-5-5: 222192121211 2121221211111211212111121 1.1 ee 5Hình 4.14 Kết quả S1 1 của LNA ¿ - ¿5-52 S22192121211212122121112121212111 211.1 e6 5Hình 4.15 Kết qua NF so với NFmin - - ¿65:22 S212EEE2EEE212212121121212121 121211 xe 54Hình 4.16 Kết quả hệ số ôn định KỂ ¿5:52 S22 2E92E2EEE2122121215 2121112112122 2 xe 54Hình 4.17 Kết quả điểm nén P1dB - - ¿2-52 S2 S9212EE2E2EEE212212121121211121 121211 xe 55Hình 4.18 Kết quả IP3 của LNA - - 5-52-5522 S2219212121121212121112111212111121 121.1 ee 55Hình 5.1 Biéu tượng của khối đổi tần đơn giản - 2-5: 225252 S232 222E£EE2EEcxerrrksrees 57Hình 5.2 Nguyên lý hoạt động của khối đổi tần -¿- 52522522222 EcEctcrrrksree, 58Hình 5.3 Hệ số nhiễu SSB - 2-5-2221 221 11 21212212121121011212110121111210111 211 1kg 59Hình 5.4 Hệ số nhiễu DSB - 5 5:21 221211 2121221212121011212111121111210111 2111 1kg 59Hình 5.5 Xác định hệ 86 IIFP3 - ¿55:21 521212221921 2121121212121112111212111121 121 ee 60Hình 5.6 Độ cách ly của khối đổi tần - 52 S22 22122121212 212122121 121212 xe 61

Hình 5.7 Hai nguyên lý hoạt động chính của mixer [32 | 555 5+ «<< ++£+++2 61

Hình 5.8 Nguyên lý hoạt động của khối đối tần tích cực - ¿c5 cc++cccxcsee, 62

Hình 5.9 Mạch đổi tần cân bằng đơn - + 552212193 2121511 1212111 21111 111k 63

Hình 5.10 Tin hiệu LO lý tƯỞng - 1921119 1119 119g ng nhu 63

Hình 5.11 Mạch đổi tần cân băng kép ¿2-5-5225 S2 2E 22122121212 212122121 121211 xe 64Hình 5.12 Mach tăng độ tuyến tinh 9¡195›1).{2diiaiẳaẳaầaadẰẮẶAẶ 65Hình 5.13 So đồ mạch đổi tần hoàn ChiMh 0 eeeseeeseesseeesseesseeesseessneesseessneesseeeeeeesees 68Hình 5.14 Layout của khối đối tân ¿5:52 212121 EE212122121211212111 21121211 xe 69Hình 5.15 Kết quả độ lợi theo công suất vào của LLO ¿-:- 25c 2x2z2x2xcrrxerrree 70Hình 5.16 Kết quả độ lợi điện áp theo tần số tại ¡2200 7IHình 5.17 Kết quả hệ số nhiễu của khối trộn tần - + 2+ tt S8 E323 25 1512155515151 EEExee 71Hình 5.18 Hệ số cách ly giữa LO VAP cceccccccccccscsscssssessesessssessssesessesessesesssessssseesesesseses 72Hình 5.19 Hệ số cách ly giữa LO và RE :©5- 2121 21 12112122121211 1121221212122 72Hình 5.20 Hệ số cách ly giữa RF và IF - 5-5-2222 2121 2212212121121212212 0112k 73Hình 5.21 Hệ số cách ly giữa RF và LO - - ¿+22 1 2121 2121221 21211212122111 0122k 73Hình 5.22 Kết quả điểm nén P1dB của khối đổi tần -2-5- 252252 S22xc£2xszzzxee 74Hình 5.23 Kết quả IP3 của khối đổi tần - ¿5-52-5522 E222 21232232122121 121212 xe 74Hình 5.24 Kết quả độ lợi công suất của khối đổi tần - 2-5: ¿52252 S+2xcczxszzcxee 75Hình 6.1 Layout của phan cao tần bộ thu đầu đọc UHF RFID ¿+55 +55: 78Hình 6.2 Kết quả độ lợi điện áp theo công suất LO - ¿5 ¿2222 +2xcczxszsrxee 79Hình 6.3 Kết quả độ lợi điện áp theo tần số ngõ ra - 25522222 E2xcczxezzrxee 79Hình 6.4 Kết quả độ lợi công suất ¿522 2221921 EE212122121211212121121 121211 xe 30Hình 6.5 Kết quả hệ số nhiễu - ¿5 ¿6S SE2ES22EÊEEEEEEE212182121212111212111121 21211 xe 80Hình 6.6 Kết quả Pđ : 5-5: 6522 2x 22219212121511212121112111212111121111212111 2111 1kg 81Hình 6.7 Kết qua IPS o.ccccccccccccccccsscscssessssesesssscssssesesscsucsssusussesscscsussesessssessssesessesessesneassesseses 81

Bang 3.2 SNR so với BEÌ - - cọ nọ và 37

Bảng 3.3 Dự tính thiết kế của dé tài - +55 tt 2E 323 1512111111111 11 1111 re 37Bảng 4.1 Giá trị các linh kiện trong khối khuếch đại nhiễu thấp -. - 50Bang 4.2 Công suất tiêu thụ của khối khuếch đại nhiễu thấp . . - 52Bảng 4.3 So sánh kết quả với các dé tài khác ¿5-5 2 5s+cSs+e+eezezxvrereceee 56Bang 5.1 Giá trị linh kiện trong khối đổi tần - + 252552222 £2£EcEzezrrsred 68Bảng 5.2 Công suất tiêu thụ của khối đối tần . - 25-5252 2c+ccecxvecreceee 75Bảng 5.3 So sánh kết quả mixer đạt được với các dé tài khác - - c5:76

DANH MỤC TU VIET TATADC Analog to Digital Coversion

AGC Automatic Gain ControlBER Bit Error Rate

BPF Band Pass FilterCMOS Complementary Metal—Oxide—SemiconductorDAC Digital to Analog Conversion

DCR Direct Conversion ReceiverDR Dynamic Range

DRC Design Rule CheckDSB Double SidebandDSP Digital Signal ProcessingEPC Electronic Product CodeIF Intermedia FrequencyIL Insertion Loss

IP Intellectual PropertyIMD IntermodulationIP3 Intercept Point 3HP3 Input Intercept Point 3LO Local OscillatorLNA Low Noise AmplifierLPF Low Pass FilterLVS Layout Versus SchematicNF Noise Figure

OIP3 Output Intercept Point 3PA Power Amplifier

RF Radio FrequencyRFID Radio Frequency Identification

TX

UHFVGA

Spurious Free Dynamic RangeSignal Noise Ratio

TransmitterUltra High FrequencyVariable Gain Amplifier

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU TONG QUAN DE TÀI

1.1 Y nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Nhận dạng vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) là một thuật ngữđược sử dụng để mô tả một hệ thống truyền sự xác thực (dưới dạng là một chuỗi sốduy nhất) của một đối tượng hoặc con người, sử dụng sóng vô tuyến Những nămsân đây, RFID đã dần dần chuyển vào các ứng dụng chủ đạo giúp tăng tốc độ xử lýhàng hóa sản xuất và vật liệu lên rất nhiều lần Trên thế giới hiện nay có rất nhiềunước tiên tiễn đã và đang sử dụng công nghệ này ngày càng với quy mô lớn hơn;nhưng ở Việt Nam thì vấn đề này chưa được xem xét kĩ và cũng chỉ xuất hiện một

vài nơi nhưng quy mô cũng không lớn Bên cạnh đó, nước ta vẫn chưa có nghiên

cứu khoa học cu thé cho lĩnh vực RFID thậm chí chưa có một chuẩn cụ thé nào chonó như Châu Âu, Mỹ và một số nước đã có: nếu có cũng chỉ dừng lại ở việc mớithiết kế tag mà thôi Trước tình hình này, năm bat dần cộng nghệ RFID là việc làmthiết yếu và cần thiết trong lúc hội nhập quốc tế và mở cửa Tuy không tác độngmạnh mẽ nhưng nó sẽ góp một phần không nhỏ đến sự phát triển kinh tế thông quatốc độ kiểm soát hàng hóa được nhanh hơn

Ngày nay, các thiết bị không dây gần như có ở tất cả mọi người dùng Sựphát triển của chúng không những về số lượng mà còn cả về chất lượng đã thúc đâycho ngành thiết kế vi mạch ngày càng phát triển vượt bậc Hiến nhiên, phan xử lýtín hiệu cao tần là không thể thiếu và có thể xem là quan trọng nhất trong các thiếtbi này Hơn nữa, với kích thước nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp nhưng lại đạt đượcchất lượng cao, nên làm cho công nghệ RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit)được quan tâm và chú trọng nhiều hơn trong các thiết kế cao tần Việc thiết kếRFIC là việc tích hợp các mach RF phức tap đảm nhiệm nhiều chức năng lên mộtcon chíp (mạch tích hợp) mà vẫn đảm bảo nó hoạt động tốt dưới ảnh hưởng của cáchiện tượng điện từ trường xảy ra trong mạch và đạt hiệu năng cao Bắt kỳ mạch hoạtđộng trong tam tần số này như WLAN, UWB, điện thoại di động (cell phones),

TSMC đạt được nhiều thành công và ngày càng phát triển mạnh trong lĩnh vựcnay Nhưng tại Việt Nam thì hiện tại vẫn chưa có bat cứ công ty hay nhà máy sanxuất chip nào hết, bởi vì thiết kế và sản xuất vi mạch đòi hỏi quy mô và nguồn tàichính rất lớn Việc thiết kế và chế tạo vi mạch là công nghệ cao, tong hop nhiéukhoa học và công nghệ khác nhau, kết hợp trí tuệ và tay nghề của nhiều chuyên giacó trình độ hiểu biết sâu rộng và có kinh nghiệm thực tế dồi dào.

Trong những năm gân đây, Chính phủ nước ta đã có những hành động cụ thểđể thúc đây sự phát triển công nghệ vi mạch như: thành lập Trung tâm Nghiên cứuvà Đảo tạo Thiết kế vi mạch ICDREC (2005), kêu gọi các tập toàn quốc gia về côngnghiệp điện tử đầu tư vào Việt Nam, tổ chức các Hội nghị quốc tế về vi mạch nhằmtăng cường giao lưu công nghệ, phát triển dự án xây dựng nhà máy sản xuất vimạch [2] Cụ thể hơn, 9.11.2013, tại trụ sở UBND TP.HCM đã diễn ra kí kết cácvăn bản ghi nhớ hợp tác phát triển công nghệ vi mạch giữa các công ty của Việt

Nam và Nhật Bản [2-3] Hiện ICDREC đang sở hữu 43 lõi IP (Intellectual Property)

và đã được chào bán trên sàn quốc tế Điều này đánh dấu các thiết kế, lõi IP củaViệt Nam đã được sự thừa nhận và đánh giá cao của cộng đồng quốc tế, đặc biệt làNhật Bản, một trong những quốc gia hàng đầu về vi mạch bán dẫn [2]

Ngành “công nghiệp non trẻ” của Việt Nam đã và đang có những bước tiễnđúng dan trong chiến lược phát triển; hy vọng, với đà phát triển này, việc côngnghiệp vi mạch Việt Nam có thể tự sản xuất được các vi mạch sử dụng trong kỹthuật, thông tin liên lạc và quốc phòng sẽ trở thành hiện thực trong tương lai khôngxa Trước tình hình chung của đất nước và thế giới thì việc đầu tư “chất xám” vàolĩnh vực sản xuất chíp nói chung cũng như công nghệ REIC và RFID nói riêng là rấtcần thiết hiện nay Chính vì vậy, hi vọng dé tài này sẽ góp một phần nhỏ vào trongcông cuộc phát triển và xây dựng ngành vi mạch nước nhà phát triển hơn nữa; để nó

có thê theo kịp các nước tiên tiên trên thê giới.

HVTH: Trần Kim Vũ 2 MSHV: 12140062

1.2 Mục đích, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

* Mục đích nghiên cứu của dé tài:

> Tìm hiểu hệ thống RFID trong đó tập trung vào bộ thu của UHFRFID reader (dau doc the)

> Nghiên cứu, thiết kế mức độ hệ thông của bộ thu

Vv Nghiên cứu, thiết kế RF front-end (phần cao tần) của bộ thu baogôm khối khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và khối trộn tần (Mixer).> Tập trung nâng cao hệ số nhiễu và tuyến tính của LNA và Mixer.* Phạm vi nghiên cứu của dé tai: Khối LNA và Mixer được thiết kế, mô

+

phỏng va layout tạo thành các IP (Intellectual Property) chuẩn bang công

nghệ CMOS 0.18um Standard Process Sau đó, chúng sẽ được tích hợplại thành một RF front-end hoàn chỉnh.

* Phương pháp thực hiện dé tai: Sử dụng ba phần mềm chính gồmCadance, ADS (Advanced Design System) và IE3D để thiết kế sơ đỗ

mạch nguyên ly (schematic), mạch vật lý (layout) và chạy mô phỏng các

+

thông số.1.3 Đóng góp của đề tài

Kết quả thu được từ dé tài là một thiết kế hoàn chỉnh của phan cao tan bộ thuRFID tại băng tần UHF Nó bao gồm sơ dé schematic và layout của cả khối khuếchđại nhiễu thấp và khối đối tần Dựa trên các chuẩn quy định cho thiết kế RFID cùngcác tài liệu liên quan, dé tài đưa ra những phân tích và tính toán cụ thé các thông sốbộ thu đổi tần trực tiếp của đầu đọc RFID

Một trong những điểm nỗi bật của dé tài là khối khuếch đại nhiễu thấp đượcthiết kế gom hai tầng Tầng đầu tiên dùng để khuếch đại tín hiệu đơn cực từ sau bộlọc thông dai Tang thứ hai dùng để chuyển đổi tín hiệu đơn cực thành tín hiệu visai, dé đưa vào bộ đổi tần Với cau trúc này của khối khuếch đại nhiễu thấp thìchúng ta không can balun (thường offchip) để chuyển đổi tín hiệu đơn cực (từanten) sang tín hiệu vi sai Hơn nữa, nhờ ghép liên tầng này mà độ lợi của khốiLNA được tăng lên đáng kê

kiện khi layout mạch Cuối cùng, việc tích hợp thành công giữa khối khuếch đạinhiễu thấp và khối đổi tần thành phần cao tần của bộ thu hoàn chỉnh, với các kếtquả phù hợp với tính toán ban đầu.

1.4 Cau trúc luận văn

Chương 2 sẽ trình bày kiến thức tong quan cho thiết kế RFID cùng với cácứng dụng của nó để phục vụ cho việc thiết kế bộ thu Quan trọng hơn, chương nảycũng giới thiệu về những thuận lợi cũng như khó khăn khi thiết kế RFIC và quytrình sản xuất con chíp hoàn chỉnh với công nghệ này Chương 3 giới thiệu nhữngthông số quan trọng trong thiết kế bộ thu, đưa ra các mô hình bộ thu khác nhau,phân tích và cudi cùng chọn bộ thu đối tần trực tiếp

Chương 4 đưa ra các cau trúc khác nhau của khối khuếch đại nhiễu thấp đikèm với các thông số liên quan Cuối chương sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý mạch củakhối khuếch đại nhiễu thấp với các kết quả mô phỏng đạt được cùng với layouthoàn chỉnh của nó Trong chương 5 những kiến thức cơ bản và các cấu trúc củakhối đổi tần được phân tích kĩ lưỡng để làm nên tảng cho việc thiết kế nó Cuốichương cũng sẽ đưa ra sơ đồ nguyên lý mạch, kết quả mô phỏng thu được và layoutcuối cùng Trong chương 6, khối khuếch đại nhiễu thấp va đối tan được ghép nốihoàn tat thành phan dau cao tan của bộ thu Sau đó là những kết quả mô phỏng cho

bộ ghép này.

Cuối cùng, chương 7 là phần kết luận của dé tài và những dé xuất cho hướng

nghiên cứu trong tương lai.

HVTH: Trần Kim Vũ 4 MSHV: 12140062

CHƯƠNG 2TONG QUAN VE RFID VA CMOS RFIC

2.1 Giới thiệu

Mục đích của chương nảy là nhăm giới thiệu tổng quan về RFID, với các chỉtiết chính yếu cần cho thiết kế khối khuếch đại nhiễu thấp và khối đổi tan máy thucủa đầu đọc cho các chương sau Bên cạnh đó, nó cũng khái quát về công nghệCMOS với các thuận lợi cũng như khó khăn trong thiết kế RFIC

2.2 Tổng quan về RFID

RFID là viết tắt của cum từ Radio Frequency Identification, nghĩa là nhậndạng bang tan số Một thực tế dau tiên là RFID không phải là một công nghệ mới.Nó lần đầu tiên được sử dụng trên sáu mươi năm trước đây bởi nhà khoa học ngườiAnh, để xác định máy bay trong Thế chiến II và là một phan trong nguyên lý củaradar Đến thập niên năm 1960, RFID lần dau tiên được coi là một giải pháp cho thếgiới thương mại Các ứng dụng thương mại dau tiên liên quan đến RFID theo sau

trong những năm 70 va 80 Các ứng dụng thương mại được xem xét với việc xác

định một số tài sản bên trong một địa điểm duy nhất

Thời kỳ thứ ba của RFID bắt đầu vào năm 1998, khi các nhà nghiên cứu tạiViện Công nghệ Massachusetts (MIT) Trung tâm Auto-ID bắt đầu nghiên cứunhững cách thức mới để theo dõi và xác định các đối tượng khi chúng di chuyểngiữa các địa điểm vật lý Nghiên cứu này, trong đó có một triển vọng toàn câu, tậptrung vào công nghệ tần số vô tuyến và làm thé nào thông tin được tổ chức trên thẻcó thể được quét và chia sẻ như trong thời gian thực

EPCglobal hiện đang dẫn đầu sự phát triển của tiêu chuẩn công nghiệp theođịnh hướng phát triển mạng mã sản phẩm điện tử (EPC: Electronic Product Code)dé hỗ trợ việc sử dụng RFID trong sự phát triển không ngừng của thé giới hiện nay.EPCglobal là một tổ chức thành viên theo định hướng sáng tác của các công ty hàng

đầu và các ngành công nghiệp được tập trung vào việc tạo ra các tiêu chuân toàn

phẩm một cách nhanh chóng nhất.2.2.1 Hệ thong RFID và thuật ngữ

Một hệ thống RFID bao gồm | interrogator, thường được biết đến là reader(đầu đọc), | transponder hay tag (thẻ đọc), và các anten để tạo môi trường giữa điệnáp trên đây và sóng trong không khí (Hình 2.1) Anten của đầu đọc được tích hợpvới đầu độc hoặc cách biệt vật lý bằng kết nối với một sợi cáp; anten của thẻ thìđược tích hợp với thẻ Hầu hết các thẻ có ít nhất một IC, được biết như là siliconchip, chứa ID của thẻ và các công logic can thiết để xác định giao thức can thiết khihoạt động giữa thẻ đọc và đầu đọc

HVTH: Trần Kim Vũ 6 MSHV: 12140062

2.2.2 Phân loại RFID

Hệ thong RFID thường được phân biệt dựa trên tần số hoạt động, công suấtđến các thẻ đọc, giao thức dùng để liên lạc giữa bộ đọc với thẻ, và loại thẻ được sửdụng Sự chọn lựa tần số, công suất phát, giao thức và loại thẻ ảnh hưởng đến tầmhoạt dong, chi phi và đặt tinh đối với người dùng

Hệ thống RFID dùng các tần số khác nhau từ khoảng 100 KHz đến 5 GHz(hình 1.2) Những băng tần thường gặp nhất là 125/134 KHz, 13.56 MHz, 860-960MHz, và 2.4-2.45 GHz Hệ thống 125/134 KHz hoạt động trong vùng tân số thấp(LF: low frequency) được biết như là LF tags và readers Bộ thu phát hoạt động tại13.56 MHz (vùng HF: high frequency) được gọi là hệ thống HE Bộ thu phát và thẻ

hoạt động tại 900 MHz và 2.4 GHz thuộc vùng UHF (ultra high frequency) Riêng

vùng 900 MHz, ma đề tài hướng đến, được biết như là các thiết bi UHF; ngược lại

tại 2.4 GHz được gọi là bộ thu phát microwave.

| inductive | | radiative |

Tn =.—== =—

frequency (Hz) 100K 1M 10M 100M 1G 10Gwavelength (m) : k 0.03

bức xạ sóng điện tu với cường độ giảm theo căn bậc 2 của khoảng cách Anten thiếtbị đọc phát sóng điện từ đến anten của thẻ, lúc này xuất hiện điện áp cảm ứng trênanten thẻ, điện áp này giống như nguồn phát sóng điện từ ngược lại về phía bộ thu

phát Day cũng chính là nguyên lý “back scattering” Như hình 2.3, thời gian sóng

đi từ đầu đọc đến thẻ và ngược quay về lại đầu đọc từ thẻ là lớn rất nhiều lần so với

power for tag and

) |

( ( ( | power for tag

—>

backscatteredsignal

tohostor reader ( (

network

backscatteredsignal

i ( (

tohostor reader transmitted signal battery

network from tag

[cor]

power for tag and radio

Hình 2.4 Các loại thé trong hệ thống RFID.Thẻ thụ động không có nguồn độc lập để cung cấp công suất hoạt động cho

mạch trong thẻ và không có bộ phát của chính nó Nó phụ thuộc vào sự chỉnh lưu

sóng nhận được từ đầu đọc để tạo nguồn dùng phân cực cho mạch của chúng và đọcthông tin từ đầu đọc để gởi tin tức ngược về từ chúng Đối với thẻ bán thụ động,chúng được cung cấp công suất hoạt động từ nguồn riêng biệt thường 1a pin, nhưngvan dùng nguyên lý “back scattering” để truyền thông tin ngược về đầu đọc Cònvới thẻ tích cực thì chúng có cả nguồn cung cấp và bộ phát độc lập; chúng được

xem như bộ thu phát độc lập.

2.2.3 Thẻ thụ động UHF RFID (Passive UHF RFID tags)

Nội dung dé tài chủ yếu tập trung vào thiết kế các thành phan RF của bộ thucho UHF RFID, nên việc tìm hiểu tính chất cũng như cách thức hoạt động của thẻthụ động UHF RFID là điều cần thiết

Thẻ thụ động UHF RFID gồm 2 thành phan chính: anten và mạch tích hợp(IC) có chứa EPC code (gồm 96bits), được sắp xếp phân loại như hình 2.5

Type 2 EPC (96 bits)

O1.0O000A4F_001AD.000000001

Reade] ErPc

‘8 bits

Hình 2.5 Thanh phan trong thẻ thụ động va EPC

Trong IC của thẻ thực hiện 3 chức năng chính:

- Tu tạo nguồn cung cấp DC từ việc chỉnh lưu sóng đến của tín hiệu từđầu đọc

- _ Đọc di liệu thông tin được gởi đến từ bộ thu phát.- _ Điều chế sóng gởi thông tin ngược về nguôn phát.Hình 2.6 đưới đây dùng để mô tả 3 chức năng hoạt động chính này của thẻ

THftfrV0Vư0 = - TT— ! cwocc - - cana: cu.

teađor data ĐỊT— ri i vn “seen | § LÍ a! ug a

a ow | Sa —ằa

modulation = + =ulaty — = '

Fe: +OHình 2.6 Ba chức năng chính của IC thẻ UHF RFID [4].

Từ hình 1.6, khi tín hiệu từ nguồn phát đến anten của thẻ, một thành phầnmạch của IC sẽ chuyền tín RF thành tín hiệu DC dé cung cấp công suất hoạt độngcho IC thẻ Một thành phần khác sẽ đọc dữ liệu từ tín hiệu RF đó bằng phương pháp

HVTH: Trần Kim Vũ 10 MSHV: 12140062

đơn giản là phát hiện đường bao Sau khi đọc xong tín hiệu từ bên phát, thẻ điều chếtín hiệu gởi ngược trả về dựa trên nguyên ly “backscattering” Nguyên lý hoạt độngdựa trên tính chất anten thu cũng sẽ là anten phát Khi tín hiệu đến anten thì sẽ tạora điện áp cảm ứng trên nó, nếu ở trạng thái ngăn mạch thi sẽ có bức xạ sóng ngượcvề phía phát Ngược lại, ở trạng thái hở mạch thì không có tín hiệu nào gởi trả về

bên phát (hình 2.7).

Ỳ antenna | ground

transmit antenna receive antenna

current _—, | current

backscattered receive antennasignal ac zPsy receive antennases | current

Hình 2.7 Nguyên ly backscattering [4].

Goi ngược tín hiệu ngược về bên đầu đọc từ thẻ thường dùng 2 kiểu điềuchế: ASK và PSK Đối với ASK, hình 2.8, thì khi mạch ở trạng thái có tải lớn thì sẽphát ra công suất thấp (do dòng nhỏ) hay tín hiệu ở mức thấp Ngược lại, khi mạchcó tải nhỏ thì sẽ phát ra công suất cao (do dòng lớn) hay tín hiệu ở mức cao Cònvới PSK, hình 2.9, thì khi mạch có phần kháng dương sẽ lệch pha so với khi phầnkháng âm (sự thay đôi này là nhờ thay đôi giá tri tụ điện trong mạch)

fe Ruya= L5 4

state 1 = large load state 2 = small load

Hình 2.8 Điều chế ASK nhờ thay đổi trở [5]

2.2.4 Giao thức cho RFID

Dựa trên chuẩn EPC Class-1 Generation-2 [6] hay còn gọi là ISO 18000-6Ccho giao thức UHF RFID Trong qui chuẩn này có rất nhiều qui định, nhưng chúngta chỉ tìm hiểu các giao thức chính giữa truyền từ đầu đọc đến thẻ và ngược lại

Giao thức từ đầu đọc đến thẻ:- Các kiểu điều chê

¢ Double sideband amplitude shift keying (DSB-ASK)¢ Single-sideband ASK (SSB-ASK)

e Phase reversal ASK (PR-ASK)- Ma hóa Encoding-Pulseinterval Encoding (PIE) (hình 2.10)

- _ Tốc độ dữ liệu dựa trên Tari

- Tari 25 microsecond (thường được dùng)

‹ 40 Kbps tối đa

¢ 27 Kbps trung bình- Tari 12.5 microsecond

HVTH: Tran Kim Vũ 12 MSHV: 12140062

‹ 80 Kbps tối đa

¢ 53 Kbps trung bình- ‘Tari 6.25 microsecond

‹ 160 Kbps tối đa

¢ 107 Kbps trung bình

<— TariBINARY 0) —————

BINARY I

+Tai —>

Hình 2.10 Mã hóa PIE

Giao thức từ thé đến đầu đọc:- - Kiểu điều chế

¢ Amplitude-shift keying (ASK)¢ Phase-shift keying (PSK)

- Loại mã hóa (tùy theo sự lựa chon của đầu đọc)

¢ FM0 (hình 1.11)¢ Miller (M=2, 4, or 8) (hình 2.12)

- Toc độ dữ liệu

¢ - FM0- 40 Kbps đến 640 Kbps¢ Miller (M=2)- 20 Kbps đến 320 Kbps¢ Miller (M=4)— 10 Kbps đến 160 Kbps¢ Miller (M=8) —5 Kbps đến 80 Kbps

Baseband Symbol ‡

X

Square Wave | || | | | | | | |len : | I [| 1i | | |

70 ; 0 oe 9

i š Ệ

Baseband Symbol | | :

Square Wave :Result : U

% :

><

0 T >t

Hinh 2.12 Ma Miller voi M=4 va 8.

2.2.5 Những thuận loi va ứng dụng cua RFID

Khi thiết lập kinh doanh với việc sử dụng công nghệ RFID phụ thuộc vàoviệc xác định lợi nhuận kinh doanh có liên quan sẽ là kết quả của việc triển khai củanó RFID đã ứng dụng trên các hệ thống bán lẻ, vận tải, sản xuất, và nhiều lĩnh vựckhác Trong mỗi ứng dụng, các hệ thống khác nhau sẽ đòi hỏi công nghệ khác nhautùy thuộc vào khả năng khác nhau cần thiết từ các thẻ và các đầu đọc, nhưng nóichung RFID ứng dụng cung cấp một số lợi ích trong kinh doanh tiém năng sau [6]:

- Chi phí thấp hơn và năng suất cao hơn: các ứng dụng RFID có thé tự độngthu thập thông tin về sự di chuyền và vị trí của tài sản, thành phần, hoặc cácyếu tố khác, làm nhanh hơn, rẻ hơn và chính xác hơn và độ tin cậy hơn sovới phương pháp thủ công và nhiễu thông tin chi tiết hon mà thu được từ cáckỹ thuật như công nghệ mã vạch Xác định các sản phẩm sử dung RFID là

HVTH: Trần Kim Vũ 14 MSHV: 12140062

nhanh hon so với cách quét mã vạch hoặc cách lay thông tin thủ công về sanphẩm

Tăng doanh thu: Băng cách giảm thất thoát hàng hóa, bằng cách tránhkhoảng cách giữa các mặt hàng được yêu cầu với các sản phẩm còn lại trongkho hiện tại, và bằng cách cung cấp cải thiện thông tin về sự thay đổi thôngtin về sản phâm cho khách hang, cũng như các tổ chức Sử dụng RFID có thécung cấp một dịch vụ tạo ra những khác biệt trong cạnh trang và tăng cường

sự hài lòng của khách hàng.

Cải thiện chất lượng thu thập dit liệu: Sử dụng của số liên lạc ít kết nối bangphương pháp RFID làm cho nó dễ dàng hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy để

sử dụng hơn dạng quét hay tia laser đọc mã vạch.

Bao mật tốt hơn: hệ thống kiểm soát truy cập sử dung RFID góp phan cảithiện an ninh của các cơ sở kinh doanh, các mặt hàng có gắn tag làm cho nódễ dàng hơn để theo dõi hàng tồn kho và có thể được sử dụng để chiến dauchống lại hàng giả cũng như nạn trộm cắp trong các cửa hàng, siêu thị

Chính xác hơn với thông tin quan lý hiện hành: Vi RFID cho phép dữ liệu

được chụp trong thời gian thực khi hàng hóa hoặc tài sản bị thay đổi thông

tin, cập nhật, quản lý thông tin hiện có sẵn cho các mục đích quản lý và lên

kế hoạch.RFID là công nghệ linh hoạt và có thể được sử dụng trong một loạt các ứng

dụng, bat cứ nơi nào có nhu cau dé tự động xác định các mục tiêu cho nên RFID có

rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống Ví dụ về các lĩnh vực ứng dụng mà RFID đãđược sử dụng rộng rãi bao gồm [6], [7]:

Thẻ điện tử trong giao thông công cộng.Thu phí đường bộ tự động.

Kiểm tra tiến độ trong sản xuất

Những năm thập niêm 80, các mạch trong hệ thống vô tuyến được thực thibởi những phân tử rời rac như điện trở, transistor, tụ điện, và cuộn dây Nhữngtransistor này được sản xuất bang những công nghệ khá ton kém dé mới có thé đápứng được những yêu cau trong tan số cao Khi mà các thiết bị không dây ngày càngphát triển với những đòi hỏi về kích thướt nhỏ gọn hơn với đáp ứng tốt trong caotan thì công nghệ CMOS RFIC đã ra đời.

Công nghệ CMOS hiện là sự lựa chọn cho các mạch xử lý tín hiệu kỹ thuật

số, vì các thiết bị sản xuất băng công nghệ CMOS tiêu thụ công suất thấp hơn chovới các công nghệ cạnh tranh khác Chính vì điều này đã thúc đây việc nghiên cứuđể giảm chi phí sản xuất cho các CMOS transistor Chi phí sản xuất transistor giảmtỉ lệ thuận với kích thướt của nó, bởi cùng chức năng có thé được cung cấp trongmột diện tích die nhỏ hơn Năm 1965, Gordon Moore đã tuyên đoán số lượngtransistor sẽ tăng lên gấp đôi cứ mỗi 2 năm với cùng diện tích die Tuyên đoán nàyđã đúng với ngày nay, số lượng transistor lên đến hàng tỉ trong một con chip như

microproces SOr.

2.3.1 Thách thức của thiết kế RFIC

Dù lý thuyết RF và microwave đã phát triển trong nhiều thập kỉ và có nhiềunhững công trình nghiên cứu cho RFIC, nhưng thiết kế và sản xuất mạch RFIC vancòn rất nhiều thách thức Có ba lý do chính sau Thứ nhất, hình 2.13, cần một lượngkiến thức rất lớn và rộng cho nhưng kĩ sư muốn vào thiết kế RFIC

Thứ hai, bộ thu phát và mach RF phải đối mặt với van dé tương nhượng giữanhững thông số trong mạch khi thiết kế, được tóm tắt trong hình 2.14 Ví dụ như, đểđạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu như mong muốn, ta phải tiêu thụ công suất nhiềuhơn và phải trả giá cho độ tuyến tính của mạch

HVTH: Trần Kim Vũ 16 MSHV: 12140062

Hình 2.13 Những yếu tố cần thiết cho thiết kế RFIC [8].Thứ ba, với những yêu cầu chất lượng mach cao hon, chi phí thấp, và nhiềuchức năng vẫn tiếp tục là những thách thứ đến ngày nay Những nỗ lực khôngngừng của những nhà thiết kế RFIC đã tạo được những bộ thu phát có thể hoạt độngtrong nhiều tần số khác nhau cho những chuẩn không dây khác nhau (Bluetooth,WiFi, GPS ) Mặc dù vậy, các thiết kế vẫn còn kích thướt rất lớn hơn các vi xử lýnên các thiết vẫn tiếp tục làm sao giảm kích thướt nhỏ nhất có thê.

có thé chế tạo ra những con chip đạt tiêu chuẩn cao Thiết kế IC nói chung thườnggôm 4 giai đoạn chính sau:

Electrical design: Muốn thành công trong giai đoạn này thì các kĩ sư thiết kếRFIC đòi hỏi phải được trang bị kiến thức thật chắc chắn và day đủ Các thiếtkế phải được kiểm tra, tương nhượng, mô phỏng nhiều lần, và chỉ dừng lạikhi thỏa mãn được các yêu cầu về thông số mạch trước khi thực hiện bướctiếp theo Hoàn tất bước này chúng ta thiết kế hoàn chỉnh mạch schematic.Physical design: Sau khi có được schematic với các thông số phù hợp theoyêu cau thiết kế, bước tiếp theo là sử dụng phần mềm dé layout Layoutmạch được thực hiện trên mô hình 2D với nhiều lớp các nhau (tùy theo côngnghệ chế tạo) được kết nối lại với nhau thông qua các via Layout được kiểmtra bằng DRC, LVS và các thông số ký sinh

Frabrication: Đây là giai đoạn mà dữ liệu từ layout được chuyển thành mạch3D hoàn chỉnh Quá trình sản xuất này gồm một chuỗi các khâu xử lý rất làphức tạp và tinh vi, nên đòi hỏi nguồn kinh phí lớn

Testing: Bước này sẽ kiểm tra lại chíp có hoạt động đúng với yêu cầu vềthông số thiết kế mạch hay không Nếu thỏa mãn thì sẽ được sản xuất hàngloạt; ngược lại sẽ phải quay lại bước đầu tiên

HVTH: Tran Kim Vũ 18 MSHV: 12140062

Hình 2.15 thé hiện một con chíp hoàn chỉnh sau khi thực hiện các bước nhưđã nói trên Thường đòi hỏi thời gian rất lâu mới có thể tapout ra được một con chípgiống như vậy.

Conception of the idea

3.1 Giới thiệu

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống thông tin vô tuyến nênthiết kế các bộ thu phát là rất cần thiết Đề thiết kế được bộ thu phát thỏa mãn cácyêu cau cả hệ thống (mà ở đây tập trung vẻ bộ thu) thi đòi hỏi phải nam bắt đượccác mô hình bộ thu phát cũng như các thông số của chúng một cách thật kĩ lưỡng.Chính vì vậy, chương này được viết là nhằm đáp ứng những yêu cầu trên

3.2 Thông số trong bộ thu

Đề đánh giá chất lượng bộ thu hoạt động như thế nào thì chúng ta phải đựavào các thông số hệ thong của chúng Có nhiều thông số dé nói lên chất lượng củabộ thu, nhưng tôi chỉ trình bày các thông số được quan tâm nhiều nhất trong luận

văn này.

3.2.1 Hệ số nhiễu (NF)

Hệ số nhiễu được định nghĩa là tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào (SNRI)chia cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại ngố ra (SNRo) cua mạch Trong đó, F là hệ SỐnhiễu không có đơn vị va NF được tính theo dB

c- SNR,

SNN „ GDNF =10log(F) (dB) (3.2)

Xét một khối mạch như là khối khuếch đại nhiễu thấp, hệ số nhiễu có théđược tính theo nhiễu được thêm vào với độ lợi của nó Một khối khuếch đại với độlợi công suất là G, công suất tín hiệu ngõ vào là P„ ,cong suất nhiễu ngõ vào là N,,thì công suất tín hiệu ngõ ra là GP, và công suất nhiễu ngõ ra là GN, +N, Trongđó, N, là nhiễu nội của mạch khuếch đại Từ (3.1) thì hệ số nhiễu được tính:

HVTH: Trần Kim Vũ 20 MSHV: 12140062

—— GP (3.3)

GN,, +N,

N N.—— đ =lr (3.4)

Như vậy, hệ số nhiễu của một khối có thể tính từ (3.3) và (3.4) Nhưng thựctẾ, bộ thu có nhiều khối được ghép cascode với nhau, hình 3.1; nên NF toàn hệthong sẽ được tính bang công thức Friss

=l F-l F: an Stet

th =hị+ vee ” 3.5' G, GG, G.G, G G9)

Hình 3.1 Sơ đồ khối của bộ thu.Từ công thức Friss, NF tần tiên ảnh hưởng đáng ké nhất lên toàn hệ thống.Chính vì thế, trong thiết kế hệ thong bộ thu, thì khối dau tiên phải có NF nhỏ nhất.Nhưng do sự tương nhượng giữa việc chọn lọc tần số của mạch lọc có hệ số phẩmchất cao và NF nhỏ thì thường BPF được đặt trước khối LNA Do đó, khối LNA cóphải có hệ số nhiễu nhỏ nhất có thé có trong thiết kế của bộ thu

3.2.2 Độ tuyến tính (Linearity)

Ngoài van dé hệ số nhiễu được nêu trên thì một thông số khác không kémphan quan trọng trong khối thu là độ tuyến tín của nó Độ phi tuyến của mạch sẽgây ra nhiều những ảnh hưởng không mong muốn như nén độ lợi, gây ra các thànhphân hài, méc phi tuyến, blocking, nén nó rất được quan tâm trong các bộ thuphát Một phan tử phi tuyến có thé được biểu diễn như hình 3.2 và công thức (3.6)

Dùng khai trién Taylor đề tìm môi tương quan giữa điện áp ngõ vào và điệnáp ngõ ra chúng ta có:

V, =A, +đ/V, +a,v +đV + 4+4,V) (3.6)Xét một tín hiệu đơn tần v, =V,cos~@,t thay vào phương trình 3.6 và khai

triên, ra được độ lợi điện áp như sau:

G.=*z= =ai +2 ayÿ (3.7)

Tu phương trình (3.7), độ lợi điệp ap tương đương với a, , hệ số tuyến tínhcủa mạch, và cộng thêm lượng theo bậc 2 của biên độ điện áp ngõ vào với hệ SỐ a; ;thông thường ngược dấu với a, Vì thé, với giá trị điện áp ngõ vào lớn đáng kế thìđộ lợi của mạch sẽ giảm đi Và hệ số P1dB dùng dé đặt trưng cho hiện tượng nén độ

| | | | | |

IP ap

| | =P,,, (dBm)

Hình 3.3 Xác định điểm nén 1dB cho mach phi tuyến

HVTH: Trần Kim Vũ 22 MSHV: 12140062

Ngoài thông số P1dB đặt trưng cho độ tuyến tính mạch thì còn có một thôngsố khác nữa đánh giá mức độ phi tuyến của hệ thống là IP3 bởi hiện tượngintermodulation gây ra Nó là hiện tượng khi 2 tín hiệu ngoài tầm hoạt động đi vàođược bộ thu do hiện tượng phi tuyến Giả sử 2 tín hiệu này là sin và được viết:

v, =V, cosa@t+V, cos a,t (3.8)

@)+~@)- =20 4-O FT”202—0)+ Ƒ”OOo F——>204+ Wo Ƒ”205+, =

Hinh 3.4 Cac thanh phan hai sinh ra từ 2 tone [10].Từ hình 3.4, các thành hai sinh ra, đặc biệt là 2 thành phân 2œ —ø, Và2ø, —@, (được gọi là third-order IM products) tác động đến tín hiệu cần thu đáng kểnếu độ tuyến tính mạch không tốt Xét ví dụ sau, giả sử tại ngõ vào anten, ngoài tínhiệu mong muốn ta còn thu thêm được 2 tín hiệu lân cận rất lớn là @, Va @, Néu 2tần số can nhiễu thỏa mãn điều kiện 2ø,—ø, =a, thi thành phan hài bậc 3 này sé rơivào tín hiệu cân thu, sẽ gây nên méo tín hiệu, hình 3.5 Và IP3 là thông số dùng đểđặt trưng cho hiện tượng không mong muốn này

Hình 3.5 Tác động lên tín hiệu của can nhiều bậc 3 intermodualtion [10].

Hình 3.6 được biéu diễn trên thang logarit giữa tín hiệu ngõ vào và tín ngõ ravới giả thiết 2 kênh can nhiễu vào có cùng công suất Trong đường tín hiệu can thucó hệ số góc băng 1 thì đường 3IM lai có hệ số góc bang 3 IP3 được xác định banggiao điểm của 2 đường này Điểm trên trục hoành gọi là IP3 ngõ vào (IIP3) và điểmtrên trục tung được gọi là IP3 ngõ ra (OIP3) IIP3 được tính bằng công thức sau:

(3.12)

= ~9.6dB (3.13)

Output PowerA

OUATIP bce

l!‹ |

/ |

⁄ > Input Power

/ input IP,Hinh 3.6 Diém third order intercept

HVTH: Tran Kim Vũ 24 MSHV: 12140062