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

TÊN DE TÀI: “Thiết kế phần cao tần bộ phát của đầu đọc RFID dùng công nghệ CMOS 0.18um”NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế phần cao tần bộ phát của đầu đọc RFID bao gồm các khối chính:- Mạch

NGUYÊN TUẦN KHANH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện TửMã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỎ CHÍ MINHCán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUYNH PHU MINH CUONG -

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày15 tháng 07 năm 2014.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 TS LE CHÍ THONG

2 TS HOANG TRANG3 TS NGUYEN MINH HOANG4 TS HUYNH PHU MINH CƯỜNG5 TS LENGOC PHU

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quan lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

Chi tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tuan Khanh MSHV: 12140026

Ngày thang, năm sinh: 11/05/1988 Noi sinh: Tam Binh, Vinh Long

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 605270I TÊN DE TÀI:

“Thiết kế phần cao tần bộ phát của đầu đọc RFID dùng công nghệ CMOS 0.18um”NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thiết kế phần cao tần bộ phát của đầu đọc RFID bao gồm các khối chính:- Mạch khuếch đại công suất: công suất ngõ ra cực đại trên 20dBm, hiệu suất trên

TIEN SĨ HUYNH PHU MINH CƯỜNG

Tp HCM, ngay thang nam

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

TS HUYNH PHU MINH CƯỜNG TS HUYNH PHU MINH CƯỜNG

TRUONG KHOA:TS DO HONG TUAN

Tôi chân thành cảm ơn Quý thay cô trong bộ môn viễn thông trườngĐại Học Bách Khoa TP HCM đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt nhữngkiến thức quý báu đề tôi hoàn thành khóa học.

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thây giáo TS HuỳnhPhú Minh Cường, người đã chỉ bảo, hướng dan và góp ý chân thành để tôi

thực hiện luận văn này.

Sau cùng tôi xin cảm ơn sự đóng góp thâm lặng của cha mẹ, anh chị,người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi hết mình cả về vật chất lân tinh than

TP Hồ Chí Minh, 20/06/2014

NGUYÊN TUẦN KHANH

Radio frequency identification (RFID) applications are growing in manyareas, such as object tracking systems, access control and animal identification.The RFID reader can access the information from tag with the communicationnetwork The RFID sytem operating at low frequencies (125 kHz or 13.56 MHz)are limited in their distances and data rates Due to longer distance with higherdata rates, the UHF frequency band RFID system will be used And to meet thedemand of low cost, long battery life, the CMOS technology is believed to be themost candidates toward the system on a chip (SoC) In almost transceivers, thedesign of RF transmitters for wireless applications has many challenges such asthe number of off-chip components, the trade off between the output power, theefficiency and the required linearity Sothat, this master thesis presents the designof the RF transmitter of RFID reader intergrated circuit (IC) using 0.18umCMOS technology at 868MHz.

The design of RF transmitter of RFID reader in this thesis includesUpConversion Mixer, Balun and Power Amplifier (PA) Since the RFID readertransmit Amplitude Shift Keying (ASK) signal, the RF transmitter with directconversion architecture are based on the I/Q modulation scheme which utilizes alinear PA to transmit data by means of the amplitude of signal But the linear PAhas poor power efficiency, to increase it, a switch mode PA (class E) is chose,and the PA class A is chose for driver The output power of RF transmitter mustbe 20dBm (0.1W) or above following the European TelecommunicationsStandard Institute (ETSI EN 302 208) for RFID at frequency 865-868MHz.

A low voltage and high linearity UpConversion mixer is proposed in thefrequency band of 868MHz The proposed mixer can convert a baseband signalsto an 868MHz RF signals The results of simulation show that the mixer provides

with power consumption of 6.87mW only.A simple Balun with no inductor is designed to convert signal fromdifferential of output Mixer to single ended of input of PA This Balun has powergain of 17.71dB, OP1dB of -2.98dBm with power consumption of 9.7mW.

The switch mode PA class E and linear PA class A are designed at 868MHzby 0.18um CMOS technology The PA class E is designed with a cascodestructure and results of simulation show maximum output power of 21.3dBmwith power added efficiency (PAE) of 38.35%, OP1dB of 20.77dBm and powerconsumption of 152mW.

Finally, all these blocks are integrated and simulate to have the results of RFtransmitter RFID reader These results are maximum output power of 20.34dBm,OP1dB of 19.3dBm and power consumption of 168.57mW All of RF transmittercomponents are integrated on chip and layout successful except output and inputmatching circuits, radio frequency choke (RFC) inductor of PA are offchip.

Các ứng dụng của thiết bị nhận dang bằng sóng vô tuyến (RFID) dangkhông tăng trong nhiều lĩnh vực, chang han nhu hé thong nhan dang vat thé,kiểm soát ra vào va nhận dạng vật nuôi Đầu đọc RFID có thể truy xuất thông tintừ thẻ thông qua hệ thống mạng vô tuyến Hệ thống RFID hoạt động ở các tân sốthấp (125kHz và 13.56MHz) bị giới hạn bởi khoảng cách và tốc độ Đề có thétruyền được với khoảng cách xa hon va tốc độ cao hon, hệ thong RFID ở băngtần UHF sẽ được sử dụng Và để đạt được giá thành thấp, thời gian sử dung pinlâu, công nghệ CMOS rất được tin dùng và là đối tượng thích hợp cho các hệthong tích hợp trên chip (SoC) Trong hau hết các hệ thống thu phát, việc thiết kếphân cao tần bộ phát cho các ứng dụng không dây có rất nhiều thách thức chănghạn như số lượng các phan tử offchip, hay tương nhượng giữa công suất ngõ ra,hiệu suất và độ tuyến tính cần thiết Chính vì thế, trong luận văn thạc sĩ này trìnhbày thiết kế phan cao tần bộ phát của đầu đọc chip RFID sử dụng công nghệ0.18um tại tan số 868MHz.

Thiết kế của phần cao tần bộ phát RFID trong luận văn bao gồm khối đổitần lên, Balun, và mạch khuếch đại công suất Bởi vì đầu đọc RFID phát tín hiệuđược điều chế biên độ (ASK) nên phần cao tần bộ phát với kiến trúc đối tần trựctiếp được dựa trên bộ điều chế 1/Q bao gom một mach khuếch đại tuyến tính đểphát đi dữ liệu bằng biên độ của tín hiệu Nhưng mạch khuếch đại công suấttuyến tính có hiệu suất thấp, để tăng hiệu suất, một mạch khuếch đại công suấtloại đóng ngắt (lớp E) được chọn, và mạch khuếch đại công suất lớp A đượcchọn làm driver Công suất ngõ ra của phần cao tần bộ phát phải trên 20dBm(0.1W) theo tiêu chuân của Viện viễn thông Châu Au (ETSI EN 302 208) tại tansố 865-868MHz

hiệu cao tan ở tan số 868MHz Các kết qua mô phỏng chỉ ra rang mạch đổi tần cóđộ lợi chuyến đồi -3.3dB, IIP3 là 11.7dBm, công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB(OP1dB) là -5.127đBm với công suất tiêu thụ chỉ là 6.87mW.

Một mach Balun đơn giản, không có cuộn dây được thiết kế để chuyển đồitín hiệu từ vi sai của ngõ ra mach đổi tần sang tín hiệu đơn cực của ngõ vào PA.Mạch Balun này có độ lợi công suất là 17.71dB, OP1dB đạt -2.98dBm và côngsuất tiêu thụ đạt 9.7mW

Mạch PA ở chế độ đóng ngắt, lớp E, và mạch PA ở chế độ tuyến tính, lớp A,được thiết kế tại tần số 868MHz bang công nghệ 0.18um Mạch khuếch đại côngsuất lớp E được thiết kế với cau trúc cascode va các kết quả mô phỏng chi ra rằngmạch có công suất ngõ ra cực dai đạt 21.3dBm, với hiệu suất (PAE) đạt 38.35%,OP1dB dat 20.77dBm và công suất tiêu thu là 152mW

Sau cùng, tất cả các khối trên được tích hợp lại và mô phỏng để có các kếtquả phân cao tần bộ phát của đầu đọc RFID Các kết quả này là công suất ngõ racực đại đạt 20.34dBm, OP1dB đạt 19.3dBm va công suất tiêu thụ đạt 168.57mW.Tất cả các thành phần của phân cao tần bộ phát được tích hợp lại trên cùng mộtchip và được layout thành công ngoại trừ các mạch phối hợp trở kháng (PHTK)ngõ vào và ngõ ra, cuộn dây chặn cao tan (RFC) của PA là offchip

lôi xin cam đoan kêt quả thực hiện trong luận văn này là do sự nôlực cua ban thân và các các câu văn được chủ thích, trích dân cân thiêt vakhông đánh cặp hay nhận được kêt qua từ bát cứ công trình nghiên cứunào.

TP Hồ Chí Minh, 20/06/2014

NGUYÊN TUẦN KHANH

DANH MỤC CÁC BẢNG các ct St nhe ixDANH MỤC CAC CHU VIET TAT cceceecesseesessessnesnseseseeseesesneeeseesesenesneseenenteneenees x90I09))9006).90005000000001057 |

1.1 Giới thiệu luận văn - - c CC S1 SH SH SH HH nh nh ch cv vt 11.2 Mục dich va phương pháp nghiền CỨU - +5 cc + S333 222+rssssssss 31.2.1 Mure dich nghién 0i 0157 31.2.2 Phương pháp nghién CUU cc eeeessceccccccceeeecececceeecesesseeececeeseseaeaceeeeeeeaaegees 3

1.3 Đóng góp của đỀ tài -á- cv TT TH HT HT TT HH TT HT ngư 41.4 Bố cục trình bày của luận văn - c1 1111111110 1 1 111v 0 n1 nhu 5CHƯƠNG 2 TONG QUAN VE RFIC VA CONG NGHỆ RFID ccccccescecesecesseeeeees 7

“8C on 0 :.:: 7

2.2 Tổng quan về RFIC? G- + t8 SE S5 911 3 1118 1 18 1 11 1 11g ng ng ri 72.3 Tổng quan về công nghệ R.FÏD G- <2 91k SE vs rxeereered 82.4 Ứng dụng của RFÏlD <1 5911 113111 1 1 H1 HT ng ru 102.5 Phân loại và các tiêu chuẩn hoạt động của RFII) -< -<<<<ssssss+ 11

2.5.1 Phan loại RFÍÏI - - - <5 c c CE C11 311011 11033 111 111 1v vn vn cv cv et 11

2.5.2 Cac chuan hoat động của RLFÌÏÏD - 5< << 3111111013111 11 1111111153 1 x1 s2 122.6 Mô hình truyền tín hiệu giữa Reader và tag, - - se geereo 13200 00101 13CHƯƠNG 3 TONG QUAN VE BỘ PHÁTT G- c2 EkSEESESEESESEEsEskrsesersed 14

3.2.1 Kiến trúc Direct-CORV€TSÏOT - G5 S3 S 11115 111111111 rke 143.2.2 Kiến trúc Heterodyne - + sksk E1 9111 HT ng nề Hàng ng 153.2.3 Kiến trúc đóng ngắt OOK (On off keying) - sec sec scerseexree 153.3 Thiết kế hệ thống cho đầu doc RFID oo cceccscesscsscssecsssscescsssceecssscseevscsseeevees l6200 00101 19CHUONG 4 MẠCH KHUECH ĐẠI CÔNG SUẤTT 5:22 s>xszxerxerrerrree 20

AC on 0 20

4.2 Phân loại các mạch khuếch đại công In 204.2.1 Mạch khuếch đại công suất ché độ tuyến 1000) 0 sec cv ceea 204.2.2 Mạch khuếch đại công suất ở chế độ đóng ngắt - - 5s sex cse 234.3 Các thông $6 cơ bản ¿+ t1 1911 1151111 1 H1 HT Hàn ru 254.3.1 Công Suất "8Õ Ta - - S111 11H 1T HT HT HH reg 254.3.2 nh n 264.3.3 Tuyến tính c- - < xkSx xSSE1 S11 SH TT HT TT TH TH HH nhọ 274.4 Thiết kế mạch khuếch đại công suất lớp E va drÏVer - 55s sex sese£srsed 274.4.1 Các công thức dùng trong mạch khuếch đại công suất lớp E - 274.4.2 Thiết kế mạch khuếch đại công suất lớp E ¿ ¿56s +sk£sE+E+e£srseexcxe 37

A.5.1 00 1 4 Ã ÀẦÀAÔÔÔ= 44"AE on dd ỌQOGỞỔỒỒỒ-:ÊÝỶ 49

200 00101 50

5.2 Các cau trúc của mach đồi tan cccccccccescescescescsesscessescescescscseeseesecsecseecseeseesees S15.2.1 Mạch đôi tan thụ đỘng - Q01 2H11 111111010011 1111111 10 c1 re 52

5.3 Các thông số CO Dan eecscsescssscssessscseeecescecscecsevscsesvscsesvacsecsesuevscectevaeeeavaven 555.3.1 Độ lợi chuyển đỔi c- St S11 511 1 1111 HH TT HT ng ưyi 565.3.2 HE SO nhiGu 56

h0 an 4 56

5.3.4 Hệ số cách Ìy - cv S91 1 11 1E H111 1T TT Hàng ngư 575.4 Thiết kế mạch đối tan :- ¿5:22 2t 2E tt rrrrerie 58

5.5 Mô phỏng va ÏaYyOU - cn 2Q 2001110111010 111111111112 111111 v0 11 nhu 61

6.2.2 Balun với các phân tử tập trung LUC + k+skceEsE#kcxEeEekekgeeskeerersed 686.2.3 Balun biến thế (tranSfOTIM€T) - 2t 3k SE SE EE SE cư net 696l) 05‹010 1 69

6.4 MO phong 5085/00 700775757 .ố ae 72

CHƯƠNG 7 PHAN CAO TAN BO PHAT CUA DAU ĐỌC RFID 76

TA GiGi 8 76

7.2 Kết nối các khối Ga co te E118 158188188131 13 1138138188151 155 155155111111 11 13 te re rreg 76

7.3 Mô phỏng và ÏayOUK - c Qc 0000101010101 1111111111010 30 1111111 cv vế 797.3.1 MO o1 79rể 0-4 827.3.3 Post Layout Simulation c — - 83

KẾ( luận eee cccececcscecscsceecocscscscscscsesescscscsesssssesscscscsescsescsescsssssssessssvssseseseseseseeeess 86CHUONG 8 KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIỂN - 2 5-22 c+z+e+s+e£z e2 87

8.1 Giới thiỆU - cecescscscececsescscstscscscscsssesscscscsesssssessscscesscseesstsnsesesssseneesteen 87

8.2 Ket luận c1 222121 1 211151511 51211 1711111 110111010101021 11 1111111111111 888.3 Hướng phát triỂn - - - cSsESsS1Ev SE 1S 5111 111111 12v 1g HH TH ng ru 88TÀI LIEU THAM KHẢO - 5-5: Sẻ SE E3 5E5E1151515111 1511111151511 rce 89

Hình 1.1 Doanh thu RFID của các nước qua các năm - «<< < c++s+<ssss<<<++<+2 |Hình 1.2: Dự đoán tăng trưởng thẻ RFID các năm (Don vi: triệu thẻ) -. 2

Hình 2.1 Qui trình thiết kế RFIC G6 E532 E 8E SE SE sư ng reo 8Hình 2.2 Mô hình hệ thống RFID cơ batee ceececessecscesesssceecscessevscescecscnscevecseeveneevaes 9Hình 2.3 Ung dung RFID vào hệ thống thu viện thong minh 5-5-2 2 eee 10Hình 2.4 Những tần số hoạt động chính của RFÏII -++ << <<<<+++sssssssssss 11

Hình 2.5 Các loại thẻ (tag) dùng trong công nghệ RFIID s5 «<< <3 12

Hình 2.6 Các chuẩn hoạt động của RFID và loại thé được dùng tương ứng 12Hình 3.1 Kiến trúc Direct Conversion của bộ phát - + + + sxsx£eEsEse£sesesxcxe 14Hình 3.2 a) LO pulling tạo bởi PA va b) Tan số sóng mang là ø@,+@, xa cả @ và @, 15Hình 3.3 Kiến trúc Heterodyne của bộ phát - - sex + E*xSkE+E£E£vEsEskeeesererke 15Hình 3.4 Kiến trúc đóng ngắt OOK của bộ phat: a) Đóng ngắt LO 5s: 16b) Đóng ngắt PAL cccccssscsseccscssescessscscescsvscsecsvscessvscsecscssvsvscsccevavscsvavscsavavaseasaenees 16Hình 3.5 Tinh toán độ lợi va IIP3 hệ thông bang AppCad - 6 se sex s2 18Hình 3.6 So đồ khói hệ thống bộ phát với độ lợi va IIP3 tương tng - 18Hình 4.1 a) Góc dẫn @ của các lớp A,B,C và b) Hiệu suất và công suất theo @ 21Hình 4.2 Sơ đồ mạch khuếch đại công suất ở chế độ tuyến tính - ss<: 21

Hình 4.3 a) Loadpull test b) đường bao (COnfOUTS) - 55+ s< <<<+<+S+sssssssssssss 22

c) phối hop trở kháng ngõ vảo va NGO ra -G-G- + k1 1S HE ng 22

Hình 4.4 Mô hình a) Cascode PA và b) dạng sóng của nÓ -. - + «<< <<<<< +2 23

Hình 4.5 Mạch khuếch đại công suất lớp ÏD «ke +E*xSkE+E£E£vEsEskexeesereree 24Hình 4.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại cực D của mạch khuếch đại công suất lớp

P 4d: 24

Hình 4.7 Mach khuếch đại công suất lớp E và dang sóng tại cực D 5s: 25

Hình 4.10 Sơ d6 mạch khuếch đại công suất lớp E + x+k£eEsEse£srseexcxe 28Hình 4.11 Dạng sóng dòng điện và điện áp ở điều kiện tối ưu - 2-5-5 =5: 30

Hình 4.12 Sơ đồ mạch khuếch dai công suất lớp E cơ bản với tụ lái (C shunt) 31

Hình 4.13 Dạng sóng dòng điện tại tải (a) và điện áp (b) và dòng điện tại cực thu củamach lớp E lý tưởng với tụ lái (C shunf) + + << cĂ +33 YS33xrssssseess 34Hình 4.14 Sơ đồ tương đương mạch lớp E ở tải tại tần số cơ bản - 55s s«: 36Hình 4.15 Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại công suất lớp E 5s +s+ss+szx s2 37Hình 4.16 Ý nghĩa của cách mắc cascode trong mạch khuếch đại lớp E 39

Hình 4.17 Sơ đồ mạch khuếch dai công suất lớp E cascode ¿se ssesxcsz 40Hình 4.18 Sơ đồ mạch khuếch đại tang driver c- 5s SE SE £vEsEekeeEeeseeecee 42Hình 4.19 Sơ d6 mạch khuếch đại tang driver và tầng lớp E ¿s5 sescs2 43Hình 4.20 Công suất và hiệu suất mạch khuếch đại mô phỏng theo tan số 45

Hình 4.21 Công suất ngõ ra mạch khuếch đại mô phỏng theo công suất vào 45

Hình 4.22 Độ lợi công suất mạch khuếch dai mô phỏng theo công suất vào 46

Hình 4.23 Hiệu suất mạch khuếch đại mô phỏng theo công suất vào 46

Hình 4.24 Nhiéu của mạch khuếch đại mô phỏng theo tần $6 55s 55s: 47Hình 4.25 Độ 6n định của mạch khuếch đại mô phỏng theo tần SỐ - ccccccc 47Hình 4.26 Dang sóng dòng điện của lớp E mô phỏng theo thời g1an 48

Hình 4.27 Dạng sóng điện áp cua lớp E mô phỏng theo thời g1an - - - 48

Hình 4.28 Công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB của mạch khuếch đại - 49

Hình 4.29 Layout của mạch khuếch đại công 0 50Hình 5.1 UpConversion Mixer trong mô hình chung bộ phát - - - - 51Hình 5.2 Mach double balanced Passive Mixer - 5-2 52

Hình 5.3 Cấu trúc của mach active mixer cân bằng đơn ¿+ + xxx £sxsxse xe 54Hình 5.4 Cấu trúc Gilbert Mixer — Active Mixer cân bằng kép c sex se: 54Hinh 5.5 ĐiỀm nén 1đÌ ¿- ¿+52 Sx2Ex2212212212112112121112212212111112 1111 kg 57

Hình 5.8 Công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB của MiXer 5-5-2 2 2 xxx 62Hình 5.9 Điểm IIP3 của Mixer c7: St the 62Hinh 5.10 Độ lợi chuyển đối của MiXeT - -G- cScSn SE SE 121 21 151111 1E Treo 63Hình 5.11 Hệ số nhiễu của \MiX€r - -G - 2e s13 E358 18158 11818 81113 sen rep 63Hình 5.12 Hệ số cách ly giữa hai port ngõ vào và ngõ ra - + se sec sex se cee 64Hình 5.13 Hệ số cách ly giữa hai port LO và ngõ vảo -c- s5 cv sec cseskekree 64Hình 5.14 Layout của mạch đổi tân - ¿+ S113 8E E9E 1111212111 511111151111 ce6 65Hình 6.1 Cau trúc balun tích cực khuếch đại vi Sai cc.cccccccssssccscsscssessessceseeseesesseeeeeees 68Hình 6.2 Balun với 2 phan tử tập trung cuộn dây va tụ điện ¿sec ssesecee 68

Hình 6.3 Layout cua transformer BaÌun - - + < c3 EEEEEsrssssssses 69

Hình 6.4 Sơ đồ mạch active balun sử dung PMOS làm mạch gương dòng 70Hình 6.5 Sơ đồ phân bó dòng điện và điện áp trong balun 5s se cessese s2 71Hình 6.6 Công suất ngõ ra ở điểm nén 1dB của Balun 5-2-2 2 s2 e£+x+ezee: 72Hình 6.7 Độ lợi công suất của Balun c- se tt S3 E1 S111 1E 11 1T Hs 73

Hinh 6.8 OFP3 ctla s0 1 e A1A.- 73Hinh 6.9 Layout cua Balun 4 74

Hình 7.1 Kết hop của 2 khối Mixer và Balun 5-2 E+ES SE EeEsrrrrkrees 77Hình 7.2 Công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB của Mixer và Balun 5 78

Hinh 7.3 IIP3 của Mixer và Balunn - c c2 9999 9 102v 1v kh 78

Hình 7.4 Kết hợp của 3 khối Mixer, Balun và PA - ¿+ + sk+kkekcEsEsEskrkrereee 79Hình 7.5 Công suất ngõ ra của mạch ghép phan cao tần bộ phát - «5s: 80Hình 7.6 Công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB của mach ghép cao tan bộ phát 80Hình 7.7 Độ lợi điện ap cua phần cao tần bộ phát +SSSSSSSSS S233 s*2 81Hình 7.8 Hệ số nhiễu của phan cao tần bộ phati cccecccscessececessescssscecessesssescesseeees 81Hình 7.9 Layout của phan cao tan bộ phat đầu doc RFID - - se c+c+x+szee 83Hình 7.9 Công suất ngõ ra của PA khi so sánh mô phỏng Post Layout va Schematic 84

Hình 7.11 Công suất ngõ ra tại điểm nén 1dB của Balun khi so sánh mô phỏng Post

Bảng 3.1 So sánh các kết quả nghiên cứu liên quan đến đầu đọc RFID 16

Bang 4.1 Cac giá tri cuộn day va tụ điện theo hệ SỐ phẩm chất tương ứng 40

Bảng 4.2 Bảng đối chiếu giá trị tính toán cuộn dây và tụ điện so với thực tế 41

Bang 4.3 Giá trị các linh kiện của mạch khuếch đại công suất lớp E va driver 43

Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng của mạch khuếch đại công suất so với các bài báo 44

Bang 5.1 Các giá tri linh kiện cua mach đồi CAN oo eeeecccccccccescecceseescescessescescesscseesceseeseens 60Bảng 5.2 Kết qua mô phỏng của mạch đổi tan so sánh với các bài báo 61

Bang 6.1 Cac giá tri của mach Balun - 55-5 << c2 1111223 1311111111155 51511115555 xx2 71Bang 6.2 Các kết qua mô phỏng của Balun và so sánh với bai báo 5s: 72Bảng 7.1 Kết quả mô phỏng phan cao tần bộ phát so sánh với các bài báo về RFID 82Bảng 7.2 Kết quả mô phỏng Post LayOUI - G69 93912 E8 SE server: 84

IMD

SNRPAE

RFCPHTK

Monolithic Microwave Integrated CircuitsComplementary Metal oxide semiconductor (p- and n-type)

Metal oxide semiconductor field effect transistorSystem on Chip

Adjacent channel power ratioInter- modulation

Signal to Noise RatioPower Added EfficiencyRadio Frequency Choke

Phối hop trở kháng

Radio frequencyIntermediate FrequencyLocal Oscilator

In phase/Quadrature phasePacket Design Kit

Not AvaiableDesign Rules CheckLayout vesus SchematicResistor and Capacitor Extraction

CHUONG 1 GIOI THIEU

1.1 Giới thiệu luận van

Công nghệ nhận dạng bang sóng vô tuyến RFID (Radio FrequencyIdentification) đã mang đến nhiều ứng dung rất hữu ich cho cuộc sống con người.Ở nước ngoài, RFID được sử dung rat pho biến tại các tram thu phí tự động, quảnlý các sản phẩm tại siêu thị, quản lý vật nuôi tại các nông trại Tại Việt Nam, đãcó một số mô hình ứng dụng RFID như: trạm thu phí xa lộ Hà Nội, giải phápkiểm soát vào ra, chấm công điện tử, kiểm soát thang máy đang được áp dụng tại

công ty TECHPRO Việt Nam [1],

Bên cạnh đó từ năm 2012, những nghiên cứu và xây dựng quy chuẩn kỹ thuậtvề thiết bị nhận dang vô tuyến (RFID) dai tan từ 865 MHz đến 868 MHz đã được

1oo0

80061H!400.200

ú

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012Hình 1.2: Dự đoán tăng trưởng thẻ RFID các năm (Don vi: triệu thẻ)

Chính phủ Việt Nam đang đây mạnh đầu tư công nghệ vi mạch Đặc biệt TP.HCM sẽ tập trung nhiều nguồn lực thực hiện chương trình phát triển côngnghiệp vi mạch thành ngành kinh tế chủ lực, tăng trưởng từ 20-30%/năm, thuhút ít nhất 5 tập đoàn đa quốc gia về vi mạch điện tử hoạt động tại Việt Nam.Thực hiên ươm tạo khoảng 25 doanh nghiệp về vi mạch, xây dựng nhà máy sảnxuất chip đầu tiên tại Việt Nam với công suất khoảng 1,8 tỷ con chip/năm, daotạo khoảng 2000 kỹ sư, kỹ thuật viên Tổng kinh phí thực hiện chương trình hơn7000 tỷ đồng [3] Sự gia tăng liên tục của lượng tiêu thụ các mặt hàng điện tửnhư smartphone, máy tính bảng ở Việt Nam là đầu ra tiém năng cho các mặthang vi mạch hay mạch tích hợp cao tần (RFIC)

Nghiên cứu và chế tạo RFID tag là một trong những bước đi đầu tiên trongquá trình phát triển ngành công nghệ vi mạch ở Việt Nam Vào ngày 24/11/2011,Bộ Khoa học — Công nghệ va Trung tâm Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch(ICDREC), thuộc Dai học Quốc gia TP.HCM đã công bố dự án nghiên cứu cóvon đầu tư 146 tỷ đồng: “Thiết kế và chế tạo chip, thẻ, đầu doc RFID và xâydựng hệ thong ứng dụng” [4] Một khi hoàn thành va đưa vào ứng dụng sẽ mangđến cho cuộc sống người dân Việt Nam nhiều tiện ích và giá thành rẻ hơn rất

nhiều so với sản phâm nước ngoài.

Đã có nhiều nghiên cứu chế tạo đầu đọc RFID ở VN sử dụng chip chế tạosan ở nước ngoài Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nao về thiết kế chip dau đọc

RFID.

Trong luận van tốt nghiệp nay, tôi thực hiện đề tài: “Thiết kế phan cao tanbộ phát của đầu doc RFID dùng công nghệ CMOS 0.18um” Kết qua củaluận văn là một IP (Intellectual Property) vi mạch cao tần của đầu đọc RFID vàtạo tiền dé cho những nghiên cứu sâu rộng về sau về công nghệ chế tạo vi mạch

REIC.1.2 Mục đích và phương pháp nghiên cứu1.2.1 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu khi thực hiện luận văn nay là thiết kế và layout thành công phancao tan của bộ phát trong đầu doc RFID băng tần UHF dùng công nghệ 0.18umCMOS, bao gồm các khối sau:

+ Mạch khuếch đại công suất: Power Amplifier (PA)+ Mạch đổi tần lên: Up Conversion Mixer

+ Balun: chuyền đồi tín hiệu từ vi sai sang đơn cựcCác khối trên được tích hợp và tối ưu để tạo thành một IP về phần cao tầncủa bộ phát bằng công nghệ 0.18um CMOS ở tan số 868MHz

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

Trọng tâm của luận văn là thiết kế, mô phỏng va layout các khối trong phancao tần của bộ phát được dùng trong thiết bị đọc thẻ RFID Trong đó tập trungnâng cao công suất phát, tôi ưu độ tuyến tính, hiệu suất của PA, cũng như thiết kếMixer sao cho đạt được độ lợi, độ tuyến tính và hệ số cách ly tốt, balun chuyềndoi tín hiệu vi sai sang đơn cực có công suất tiêu hao thấp, đơn giản va dễ thiết

kê.

Cac phương pháp su dụng cua luận van là:

+ Tìm hiểu về công nghệ RFID thông qua các tài liệu tham khảo như: [1]-[7]+ Nghiên cứu công nghệ thiết kế và chế tạo vi mạch RFIC qua sách tham khảo:[8]

+ Nghiên cứu va thiết kế các mach thành phan thông qua các bai báo về thiết kếvi mạch RFID trên IEEE Xplore Một số bài báo tiêu biểu như: [9]-[12]

+ Sử dụng các phần mềm Cadence, ADS, IE3D, AppCad, Visio, Origin dé vé,tính toán, thiết kế, mô phỏng, tối ưu va layout các mạch thành phan và toàn hệthống

1.3 Đóng góp của đề tàiViệc thiết kế một hệ thống cao tần bộ phát cho các ứng dụng không dây gặprất nhiều thách thức ở cả lựa chọn kiến trúc thiết kế và các mạch thành phân Cácthách thức phải gặp phải bao gồm các phan tử offchip của mach, lựa chọn cuộndây offchip có hệ số phẩm chất và điện trở nội đúng, chính xác với thực tế, hayviệc tương nhượng (trade-off) giữa công suất ra, hiệu suất và độ tuyến tính củahệ thống Trong các khối của bộ thu phát thì khối khuếch đại công suất là khốikhó thiết kế nhất vì phải cung cấp công suất ngõ ra đủ yêu cau trong khi vẫn phảithõa các yếu tố như tuyến tinh cao, điện áp thấp, công suất tiêu thụ thấp, hiệusuất cao Đó là chưa kế đến việc thiết kế mạch khuếch đại công suất dùng chocác thiết bị cầm tay cần thời gian sử dụng pin lâu luôn là vẫn đề khó khăn chongười thiết kế [13]

Luận văn sau khi hoàn thành đã thiết kế thành công một bộ phát cao tần chothiết bị đầu đọc RFID cầm tay trong khi phải đối diện với các khó khăn kể trên.Sau khi hoàn thành, luận văn này được xem như một IP về bộ phát của đầu đọcRFID bang công nghệ 0.18um CMOS và là một trong số những nghiên cứu khoa

học dau tiên ở cap độ trường học nói riêng và cả nước nói chung về thiệt kê chip

cho đầu doc RFID, tạo tiền dé va là tài liệu tham khảo hữu ich cho các nghiêncứu khoa học sâu rộng hơn về RFIC và RFID về sau.

Các khối chính bao gồm mạch đổi tần, mạch khuếch đại công suất và balunđược tích hợp trên cùng một chip Trong đó, mạch đổi tan gồm bộ điều chế I/Qcó cùng tầng ngõ vao để tiết kiệm diện tích chip, có độ tuyến tính cao và côngsuất tiêu thụ thấp; mạch Balun chuyển đối tín hiệu từ vi sai sang đơn cực đượcthiết kế đơn giản không có cuộn dây để tiết kiệm diện tích: mạch khuếch đạicông suất cung cấp công suất ngõ ra cực đại lên đến 21.3đBm cao hơn so với tiêuchuẩn thiết kế là 20dBm

1.4 Bồ cục trình bày của luận vănLuận văn gồm có 8 chương, trong đó chương 2 trình bảy tổng quan về quitrình thiết kế RFIC và công nghệ RFID, các ứng dụng và cách phân loại RFIDdựa theo loại thẻ hay tần số sử dụng

Trong chương 3 sẽ trình bày tổng quan về bộ phát, các kiểu kiến trúc của bộphát cơ bản và phan thiết kế hệ thông bộ phát dùng cho dau đọc RFID

Phần mạch khuếch đại công suất sẽ được trình bày ở chương 4 Trongchương này sẽ bao gồm việc phân loại các mạch khuếch đại công suất, các thongsố cơ bản để đánh giá và cách thiết kế mạch khuếch đại công suất lớp E dùng chođầu đọc RFID với các kết quả mô phỏng và layout mạch

Trong chương tiếp theo, chương 5, sẽ trình bày về mạch đổi tần lên, chuyểntín hiệu từ trung tần lên cao tân để cung cấp cho mạch khuếch đại công suất, cácthông số dé đánh giá mach doi tan và phần thiết kế mach đổi tần lên với các kết

quả mô phỏng và layout.

Phần chương 6 sẽ dé cập đến Balun, chuyền đổi tín hiệu từ vi sai sang đơncực, các kiểu kiến trúc balun cơ bản và thiết kế balun với kết quả mô phỏng và

layout ở cuôi chương này.

Sau khi trình bảy 3 phan trong tâm thiết kế, mạch khuếch dai công suất,mạch đổi tần lên, balun thì chương 7 sẽ trình bày ghép các khối nay lại với nhaubằng việc thực hiện phối hợp trở kháng để đạt được phần cao tần bộ phát dùngcho đầu doc RFID.

Phan cudi cung 6 chuong 8 sé trinh bay kết luận rút ra từ việc thực hiện luậnvăn, nhận xét đánh giá và đề ra hướng phát triển tiếp theo của luận văn

Các phân trình bày kết quả mô phỏng ở các chương, từ chương 4 đếnchương 7, phan hình ảnh được vẽ từ phần mém Origin 8.5 với dit liệu xuất ra từ

kêt quả mô phỏng của phân mêm Cadence.

CHUONG 2 TONG QUAN VE RFIC VA CONG NGHE RFID

2.1 Giới thiệu

Ngày nay các thiết bị điện tử ngày cảng phát triển, nhỏ gon, tinh vi hon vahướng đến một thế giới không dây dẫn Để đạt được sự tiện lợi đó chính là nhờnghành công nghiệp vi mạch hay vi mạch siêu cao tần ngày càng phát triển Sựphát triển của vi mạch làm nay sinh các nhu cầu sử dụng các thiết bị nhận dạngtự động không dây thay thế cho các thiết bị nhận dạng truyền thống Từ đó, côngnghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID ra đời đã giúp ít rất nhiều cho cuộcsống con người Trong nội dung chương này sẽ trình bày sơ lược về công nghệ vimạch siêu cao tan và qui trình thiết kế RFIC ở mục 2.2 và công nghệ RFID ởmục 2.3 Phần ứng dụng, phân loại và mô hình truyền tín hiệu giữa Reader và tagsẽ lần lượt được trình bày ở các mục từ 2.4 đến 2.6

2.2 Tong quan về RFIC:Các thiết bị điện tử cầm tay ngày cảng được ưa chuộn vì nhỏ gọn và đầy đủcác chức năng thay thé cho các mạch điện công kênh và dat tiền Các thành phần

mạch điện như transistor, diode, điện trở, cuộn dây hay tụ điện được tích hợp

lại trên cùng một phiến bán dẫn Chính vì thế công nghiệp vi mạch có ưu điểm làkích thước nhỏ, giá thành thấp và hiệu suất cao Tuy thuộc vào chất liệu củaphiến bán dẫn mà có thé chia vi mạch thành hai loại chính MMIC dùng chat bán

dẫn loại III và IV là GaAs, và RFIC dùng CMOS So với GasAs thì CMOS có ưu

điểm là giá thành rẻ hơn khả năng tích hợp cao và là giải pháp cho SoC [14]Qui trình thiết kế RFIC bao gồm 4 giai đoạn chính: thiết kế mạch điện, thiếtkế vật lý, gửi đi sản xuất và cuối cùng là kiểm tra đo đạc Các qui trình nay đượcmiêu tả như hình 2.1.[14] Trong đó vai trò của người thiết kế là tối ưu thiết kế và

hạn chê rủi ro do các phân tử ký sinh trong mạch gây ra trước khi gửi đi sản xuât

ở nhà máy và cho dé mang san phầm về kiêm tra do đạc Qui trình nay diễn ramat rat nhiêu thời gian nên đòi hỏi người thiệt kê phải có nhiêu kinh nghiệm vàsu ti mi trong từng giai đoạn.

| Conception of the sdea

Ỷ

ị | Defirunon of the design }

Electrical $ Ỷ

Design | Comparison | Comparison

wihdeagn l¬— Implementation -~—— with designspecifications : { specifications

v |

Hình 2.1 Qui trình thiết kế RFIC2.3 Tổng quan về công nghệ RFID

Công nghệ nhận dạng tự động (Auto-Identification) gồm có: mã vạch

(barcode), nhận dạng dựa trên đặc tính quang hoc (Optical character recognition),

thẻ thông minh (smart cards), nhận dạng sinh trắc học (Biometric) và RFID [5]Công nghệ RFID (nhận dạng bằng sóng vô tuyến) xuất phát từ những nghiên cứu

của Watson-Watt ứng dụng vào nhận dang máy bay địch (IFF-Identify Friend or

Foe) trong chiến tranh thế giới thứ 2 [15]

Mô hình co ban của hệ thống RFID được mô tả ở hình 2.2, bao gồm mộtđầu đọc (Reader) và một thẻ (tag) chứa thông tin giao tiếp với đầu đọc bằng sóngvô tuyến, thu phát qua hệ thống anten Trên thẻ có anten và một chip chứa đựng

thông tin nhận dang thẻ [6]

Hình 2.2 Mô hình hệ thống RFID cơ bảnSo với các hệ thông nhận dạng tự động khác, RFID có các ưu điểm sau:

- Khong can tiếp xúc trực tiếp khi truyền nhận dé liệu giữa thẻ va đầu đọc.- C6 thể đọc và ghi dữ liệu vào thẻ nhiều lần, lay thông tin mà không cần

nhìn thấy thẻ, thẻ có thể được đặt bên trong các kiện hàng.- Khoảng cach đọc có thé từ vài chục centimet đến vài chục mét tùy loại

RFID dan thay thế các cảm biến đất tiền hay có thé hoạt động để đo cácđiều kiện môi trường như nhiệt độ hay áp suất

Bên cạnh đó RFID vẫn có các nhược điểm đang được nghiên cứu và khắc

- Khi hai đầu đọc lắp đặt mà có vùng bao phủ chung thi tin hiệu sẽ bi chồnglan lên nhau Van dé nay được giải quyết bang cách sử dụng phương pháp datruy cập phân chia theo thời gian cho các đầu đọc.

Mặc dù vậy với các ưu điểm nổi trội và tùy vào ứng dụng cần thiết mà RFID

đang được đây mạnh nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại các nước trên thê giới.

2.4 Ứng dụng của RFID- Trong giao thông công cộng: Nó sẽ thay thé các các tam vé bằng giấy, nhân

viên soát vé hay các tình trạng gian lận khi không mua vé và giảm thiểu thờigian chờ đợi không cần thiết RFID được sử dụng ở các cửa ra vào, trạm thu phí

tự động hay các bãi xe.

- Ung dung trong quản lý đồ vật, hay mua sắm: Các sản phẩm được gan thẻ đãđược lưu đây đủ thông tin về nó Lợi dụng ưu thế nảy người ta đã xây dựng cácsiêu thị hay thư viện thông minh (Hình 2.3) Ở đó việc lựa chọn hàng hóa hay

sách vở trở nền rat đơn giản, không mat nhiêu thời gian mà lại rat tiện lợi [2].

Hình 2.3 Ứng dụng RFID vào hệ thống thư viện thông minh

- Nhận dạng con người và vật nuôi: Việc sử dụng các thẻ một cách linh hoạt

giúp cho con người rất nhiều trong việc quản lý thông tin của bệnh nhân ở bệnh

viện, hay các vật nuôi ở nông trại Đó là các loại thẻ nhỏ, có thé được tiềm vàobên dưới da vật nuôi.|Š |

- Hoat động thé thao: Thẻ RFID được gắn vảo trang phục thi dau của vận động

viên và ứng dụng vào trong một sô môn thê thao Chăng hạn người ta đã gănvào giày của các vận động viên trong một cuộc thi chạy Marathon ở Hamburg

nước Đức nhằm đảm bảo tính minh bạch và tính chính xác kết quả cuộc thi [5].2.5 Phân loại và các tiêu chuẩn hoạt động của RFID

2.5.1 Phân loại RFIDRFID được phân loại theo các tiêu chi sau:[6|

- Phan loại theo tần số: RFID thường sử dung các băng tan 125/134 kHz (LF),

13,56 MHz (HF), 860-960 MHz (UHF) và 2,4-2,45 GHz được miêu tả như hình2.4.

—

_.- Xe

100frequency (Hz) 100K IM 10M

10G

0.03

GHz

Hình 2.4 Những tan số hoạt động chính của RFID

- Phan loại theo cach nạp năng lượng cho thẻ:

Thẻ thu động (passive tag) là loại không có nguồn san trong thẻ, năng lượngđược lay từ sóng tới của dau đọc Thẻ chủ động (active tag) được cung cấp bởimột nguôn trong thẻ Thẻ bán thụ động (semi passive tag) có một nguồn nănglượng bên trong nhưng nhỏ đủ để nuôi chip trong thẻ Hình 2.5 miêu tả các loại

thẻ chính dùng trong RFID.

Hinh 2.5 Cac loai thé (tag) dung trong cong nghé RFID

2.5.2 Cac chuẩn hoạt động của RFID:Các chuẩn hoạt động của RFID và các loại thẻ dùng tương ứng được miêu tả

như hình 2.6 [6]

Frequency=> [uy 860-960 MHz

Power source:

ISO 11784/5 sọ se ISO 18000-6A,B.C ISO 18000-4

ISO 14223 180 1800-3 EPC Class 0, Class 1 IntellitagISO 18000-2 MIFARE AAR $918 Mu-chip

ISO 18000-4Alien BAPANSI 371.1ISO 18000-4

Hình 2.6 Các chuẩn hoạt động của RFID và loại thé được dùng tương ứng

2.6 Mô hình truyền tin hiệu giữa Reader va tagỞ tan số UHF loại thẻ được sử dung là passive tag Trinh tự truyền bit giữaReader và tag diễn ra theo các bước sau: [12]

1 Reader phát tín hiệu CW (continuos wave) dé kích hoạt tag (tín hiệu RF)2 Reader liên tục phát tín hiệu CW dé làm nguén cho tag và đợi đến khi nhận

được tín hiệu phản hồi (Backscatter signal - wanted signal- RF signal)3 Kết nối được thiết lập giữa Reader va tag

4 Reader truyền tín hiệu được điều chế (DSB, SSB, PR - ASK) dưới định dạng

PIE (Pulse Interval encoding)

5 Tag gửi thông tin về reader dưới định dạng FMO hoặc Miller bằng ASK hoặc

PSK.

Kết luận:RFID đang được ứng dụng ngày càng pho biến Tùy theo yêu cầu và mục đíchsử dụng ma người ta có thể dùng ở các tan số LF, HF, hay UHE va passive tag,active tag hay semi passive tag Hiểu biết được những mô hình truyền tín hiệu và

mô hình hoạt động của nó sẽ giúp ích trong việc lựa chọn RFID nào cho phù hợp

trong việc đưa vào ứng dụng thực tế hay các mục đích nghiên cứu

CHUONG 3 TONG QUAN VE BO PHAT

3.1 Giới thiệu:

Thiết kế bộ phát của các hệ thống cao tần cho các ứng dụng không dâymang đến không ít những thách thức cho người thiết kế Đó là các van dé về cácphân tử offchip, loại bỏ các thành phan hai không mong muốn hay tương nhượnggiữa công suất ngõ ra, hiệu suất và độ tuyến tính của hệ thống [13] Trong nộidung chương này sẽ dé cập đến các kiểu kiến trúc bộ phát ở phan 3.2, phần nộidung 3.3 sẽ đề cập đến thiết kế hệ thống của phần cao tần đầu đọc RFID

3.2 Các kiểu kiến trúc của bộ phát cơ bảnRFID Reader IC bao gồm các bộ phận chính: bộ thu (RX), bộ phát (TX), bộxử lý số và bộ tổng hợp tan số (synthesizer) Bộ phát có các kiến trúc cơ bản sau

đây [8]:

3.2.1 Kiến trúc Direct-Conversion:Trong kiến trúc Direct-Conversion của bộ phát, tần số sóng mang ngõ rabằng với tần số của bộ dao động nội (LO), điều chế (modulation) và chuyển đổitang lên (upconversion) diễn ra trong cùng một mạch (Hình 3.1) Kiến trúc nàyđược sử dụng nhiều vì đơn giản, khả năng tích hợp cao và tiêu tán công suất thấp

Baseband|

MatchingNetworkBaseband

Hình 3.1 Kiến trúc Direct Conversion của bộ phátNhược điểm lớn nhất của kiến trúc này là hiện tượng “LO pulling” gây ra

thi pho tin hiệu ở ngõ ra của PA phải đủ xa với tan số dao động bang cách cộng

hoặc trừ tan sô ngõ ra với dao động khác được miêu tả ở hình 3.2.

or

vco,L^ ates: PA| BPF, >> ám ni BPF,

tân hai lan Tín hiệu được đôi tan 2 lân bởi các mixer như hình 3.3.

PA [Lớp] Off chip On chip [A] | On chip [AB] On chip [E]PAE N/A 16% 35% 31%

Kích thước 2 2 2 2(Reader IC) 18.3mm 36 mm 13.5 mm 6 mm

Bang 3.1 So sánh các kết quả nghiên cứu liên quan dén dau doc RFIDPhương hướng thực hiện của luận văn là thiết kế bộ phát với kiến trúcDirect Conversion vì đơn giản trong thiết kế, khả năng tích hợp cao, và tiêu táncông suất thấp Khối PA được thiết kế ở dạng cascode lớp E nham đạt được hiệusuất >30% với công suất ngõ ra khoảng 20 đBm

Tan số chon để thiết kế trong luận van là 868MHz thuộc tiêu chuan ETSIEN 302-208 Dé tinh toán công suất phat ngõ ra, gia sử ta có mô hình RFID vớicác thông số như sau: [16]

Bước sóng 0.345m (868MHz)

Độ nhạy máy thu đầu đọc = -80dBmĐộ lợi anten của đầu đọc = 6dBi, độ lợi anten của tag = 1dBi

Suy hao: cables and connector -3dB, Reader antenna -3dB, Tag antenna -1dB

Khoảng cách dau đọc va tag, r= 3mCông suất ngõ ra tại IP3 (OIP3): Pip;Công suất ngõ vao tại IP3 (IIP3): Piqpa)

Prag = P.+Gp+G,— 3` Losses — FSL (3.1)

PSL = P, +, +G, — 5° Losses — Ptag

Suy raMà PSL(AB) = 92.4 + 201og,, r(kim) + 201og,, f (GH) (3.2)

Công suất dau đọc 1a:

P, = 40.71—14+(SG+3+T)—(6+]) = 26.71dBm = 468.813mW

Với kết quả trên công suất đầu đọc là:Pạ= >) P (bộ phát +bộ thu + bộ xử lý số + bộ tong hợp tần số)Vì bộ phát cần nhiều công suất nhất nên giả sử công suất bộ phát là 20 đBm.Công suất này thỏa tiêu chuẩn ETSI EN 302-208 về tần số hoạt động của UHF

RFID.

Ta có các công thức tinh độ lợi G va độ tuyến tính IIP3 như sau: [17]

Đa = Tạng + 9.6 (3.3)OIP3 = IIP3+G (3.4)

1 _ 1 R Ớ, " 1` (3.5)IP3,„ IIP3, IIP3, IIP3, HP3,

Grong =ỚA tỚ, +Ớ, +Ớ, (3.6)

Với công suất bộ phát là 20dBm băng phần mềm AppCad ta có thể tươngnhượng hệ thống dé đạt được độ lợi khoảng 16dB và OIP3 là 23.39dBm,

IP3=7.39dBm như hình 3.5:

File Calculate Application Eamples Options Help

NoiseCalc Set Number of Stages | = l4 Calculate [F 4] Clear | Main Menu [F8

| Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4

dG/dTemp dB/*C 0 0 0 es

Stage Analysis: |NF[Tempcom | dB 1.00 9,00 8.00 7.00Bain (Temp con dĩ - -1.00 -4.00 10.00 11.00Input Power | dBm - -20.00 -21.00 -25.00 -15.00QutputPower dBm - -21.00 -25.00 -15.00 -4.00dNF/dNF | dB/dB | 0.05 0.38 0.73 0.06

d NF/d Gain | dB/dB 0.85 -.B2 -0.04 0.00

d|IP3/d IP3 dBm/dBm 0.00 0.32 0.20 a4]Enter System Parameters: System Analysis:

Input Power -20 dBm Gain = 16.00 dB || Input IP3 = 39 dBm

Analysis Temperature 25 * Noise Figure = 14.48 dB Output IP3 = 2333 dBmNoise BW | 1 MHz Nose Temp= 7/837TT K Tnput IM level = 4.78 dBmRet Temperature | 25 * SNR = #843 dB Input IM level = 54.78 dBCS/N [for sensitivity) = = 10 dB MDS = 99.49 dBm Output IM level = 58.78 dBmNoise Source [Ref] 280 °K Sensitivity = 89.49 dBm | Output IM level = 54.78 dBC

Noise Floor= -153.43 dBm/Hz) SFDR = 71.26 dB

NE Normal Click for Web: APPLICATION NOTES - MODELS - DESIGN TIPS - DATA SHEETS - S-PARAMETERS

Hình 3.5 Tính toán độ lợi va IIP3 hệ thống bằng AppCadHệ thông bộ phát kiến trúc Direct Conversion cụ thé sẽ thiết kế như sơ đồ hình

3.6, vơi nội dung thiết kê gôm các khôi PA, driver và mixer.

l

Ị ||-LPF !

!

! IỊ I

Hình 3.6 So đồ khối hệ thống bộ phat với độ lợi và IIP3 tương ứng

Kết luận:Với các kết quả đã phân tích và hệ thống đã thiết kế sơ bộ như trên, luận vănhướng đến việc thiết kế bộ phát kiểu kiến trúc Direct Conversion tăng khả năngtích hợp trên chip Hệ thống bộ phát phải có công suất ngõ ra cực đại lớn hơn20dBm độ tuyến tính tốt, trong đó khối PA cần đạt hiệu suất trên 30% và côngsuất ngõ ra cũng như độ tuyến tính cao để không ảnh hưởng đến các thông số bộphat Theo hình 3.5, OIP3 băng 23.39dBm, dựa theo công thức (3.3), OP1dB hệthống sẽ là 23.39 — 9.6=13.79dBm Mạch đổi tan lên độ lợi có thé âm, hệ sốnhiễu có thé lớn nhưng độ tuyến tính phải cao, IIP3= 7+4=11dBm, đồng thờicông suất ngõ ra tại điểm nén 1dB (OP1dB) của Mixer phải thỏa cung cấp chongõ vào của bộ driver va PA để đạt được ngõ ra lớn hơn 20dBm.

CHUONG 4 MACH KHUECH DAI CONG SUAT

4.1 Giới thiệu

Mạch khuếch đại công suất (PA) là khối tiêu tốn nhiều công suất nhất tronghệ thống thu phát RF Thiết kế PA để đạt được độ tuyến tính tốt và điện áp hoạtđộng thấp sẽ gặp nhiều khó khăn Chính vì thế khối PA được chọn thiết kế trướctiên trong hầu hết các bài toán về bộ phát Có thể chia mạch khuếch đại công suấtthành hai loại, loại thứ nhất bao gồm mạch khuếch đại tuyến tính ở các lớp A, B,AB và C hoạt động với hiệu suất thấp, loại thứ hai bao gồm các lớp D, E, F vớicác transistor hoạt động như các switch nên có hiệu suất cao [18] Trong nộidung chương này sẽ dé cập đến các việc phân loại các mạch khuếch đại ở phan4.2, ở phan 4.3 sẽ nêu lên các thông số lưu ý của mạch khuếch đại và phân thiếtkế mạch khuếch dai công suất lớp E va thiết kế driver ở mục 4.4, kết quả mô

phỏng và layout ở mục 4.5.

4.2 Phân loại các mạch khuếch đại công suất:Mạch khuếch đại công suất (PA) có thé chia thành hai loại dựa vào chế độhoạt động: chế độ tuyến tính (lớp A, B, AB, C) và chế độ đóng ngất (lớp D, E, F).4.2.1 Mạch khuếch đại công suất chế độ tuyến tính

Đây là các mạch khuếch đại công suất truyền thống có thể được chia thànhcác lớp A, B, AB, C Hoạt động của các lớp này được mô tả qua góc dẫn ø(conduction angle), phần trăm của chu kỳ khi PA hoạt động @ tỉ lệ thuận vớicông suất ngõ ra nhưng tỉ lệ nghịch với hiệu suất 7 (efficiency) (Hình 4.1) Bang

cách thay đôi gia tri điện áp phân cực và công suât vào cua mạch khuêch đại như

hình 4.2 ta sẽ có thé có được các góc dẫn khác nhau từ 0 đến 360° từ đó ma cóđược mạch khuếch đại công suất ở lớp mong muốn [13] [18]

Class ABias

Current Class B

4100% a

50% ;

——

360° 9180°

Hình 4.1 a) Góc dẫn @ của các lớp A,B,C và b) Hiệu suất va công suất theo @

ngưỡng, transistor chi dẫn nửa chu kỳ, độ tuyến tính không cao như lớpA nhưng mạch có hiệu suất cao hơn, tôi đa 78.5%