Thiết kế, mơ lọc thơng dải tích cực siêu cao tần băng tần S dùng công nghệ CMOS phần mềm Cadence Bùi Tân Mẫn Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Chương “Bộ lọc sử dụng viễn thông”: Một số ứng dụng viễn thông GSM, Bluetooth, WLAN, GPS, WiMax sử dụng lọc với đặc tính để đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng; Hệ thống thu phát cao tần, nhấn mạnh vai trò xuất lọc lọc thông dải, lọc chống chồng phổ, lọc triệt ảnh tần số, lọc chọn dải; Sự phát triển công nghệ bán dẫn CMOS kiến thức liên quan Chương Trình bày nguyên lý mơ hình mạch lọc tích cực, cấu hình cuộn cảm tích cực Các phương trình tính giá trị cảm, tụ điện, điện trở Cuộn cảm tích cực mơ hình hóa mạch R,L,C song song Các tiêu chuẩn đặc tính cuộn cảm tích cực Chương Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực phần mềm cadence Phương pháp điều chỉnh tần số trung tâm, kết mô miền tần số miền thời gian.Điều chỉnh tần số bao gồm chỉnh thô tinh chỉnh, chỉnh thô cách thay đổi nguồn dòng cấp cho cuộn cảm, chỉnh tinh thay đổi điện áp nối với đế tụ MOS, giá trị điện dung thay đổi theo điện áp dẫn đến tần số trung tâm thay đổi Keywords: Kỹ thuật điện tử; Bộ lọc siêu cao tần; Công nghệ CMOS; Phần mềm Content MỞ ĐẦU Khi xem xét hệ thống thu phát cao tần, ta thấy lọc đóng vai trò quan trọng đường truyền tín hiệu từ anten xử lý tín hiệu Bao gồm : lọc thông dải, lọc chống chồng phổ, lọc chọn kênh Có nhiều cách để phân loại lọc như: dựa theo hàm truyền, theo thành phần cấu thành nên lọc, lọc tích cực, lọc thụ động, lọc thông dải, lọc chặn dải, lọc thông thấp, lọc thông cao Bộ lọc xử lý thời gian liên tục, thời gian rời rạc, lọc tương tự, lọc số Trong lĩnh vực siêu cao tần thường sử dụng lọc LC, mạch dải Các thiết bị thu phát di động cầm tay thường sử dụng mạch lọc SAW (Surface Acoustic Filter) nhiên với phát triển cơng nghệ, thiết bị ngày nhỏ việc tích hợp tất khối/các mạch điện IC đơn (RF IC) thực Chỉ có lọc siêu cao tần chưa tích hợp cơng nghệ CMOS Luận văn với tiêu đề “thiết kế mô mạch lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng S sử dụng cơng nghệ CMOS phần mềm Cadence” trình bày cách thực mạch lọc tích hợp cơng nghệ CMOS, kết mô thu Bộ lọc thông dải tích cực thiết kế mơ chip siêu cao tần công nghệ TSMC 0.18um Bộ lọc có tần số trung tâm điều chỉnh để đáp ứng cho ứng dụng đa tiêu chuẩn (Multi Standard) Trước xuất mạch lọc tích cực loại mạch lọc thụ động thiết kế ứng dụng rộng rãi: lọc LC, lọc mạch dải tập trung, lọc tích cực sử dụng khuếch đại thuật toán (chỉ sử dụng với tần số thấp 100MHz), lọc SAW lọc SAW sử dụng nhiều thiết bị thu phát bởi: chất lượng tốt, độ triệt cao vùng chặn dải, vùng chuyển tiếp có độ dốc lớn Mach lọc thơng dải tích cực nghiên cứu luận văn bao gồm truyền dẫn (transconductor) mắc theo chiều ngược Với ứng dụng khác, tụ điện kí sinh nguy hiểm góp phần làm giảm chất lượng mạch điện Tuy nhiên với cuộn cảm tích cực sử dụng transitor tụ điện kí sinh linh kiện sử dụng để thay tụ cộng hưởng Lợi dụng tính chất cộng hưởng này, tín hiệu điện áp lối vào qua chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện, dòng điện vào cuộn cảm tích, mạch điện có tính chất chọn lọc tần số Vì sử dụng lọc Các phần trình bày luận văn bao gồm: Chương “Bộ lọc sử dụng viễn thơng”, phần 1.1 trình bày ứng dụng viễn thông : GSM, Bluetooth, WLAN, GPS, WiMax sử dụng lọc với đặc tính để đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng Trong lọc SAW sử dụng cách rộng rãi Phần 1.2 trình bày hệ thống thu phát cao tần, nhấn mạnh vai trò xuất lọc : lọc thông dải, lọc chống chồng phổ, lọc triệt ảnh tần số, lọc chọn dải Các tiêu chuẩn phân loại lọc khác nhau, tham số đặc trưng hệ số tạp âm (NF), điểm nén 1dB, yêu cầu lọc chặn tín hiệu dải, chặn tín hiệu ngồi dải Phần 1.3 trình bày cơng nghệ bán dẫn CMOS kiến thức liên quan Để thiết kế mạch tương tự CMOS cần hiểu đặc tính I-V, tụ điện kí sinh luận văn mơ sử dụng cơng nghệ TSMC 0.18um Chương Trình bày ngun lý mơ hình mạch lọc tích cực, cấu hình cuộn cảm tích cực Các phương trình tính giá trị cảm, tụ điện, điện trở Cuộn cảm tích cực mơ hình hóa mạch R,L,C song song Các tiêu chuẩn đặc tính cuộn cảm tích cực Chương Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực phần mềm cadence Phương pháp điều chỉnh tần số trung tâm, kết mô miền tần số miền thời gian.Điều chỉnh tần số bao gồm chỉnh thô tinh chỉnh, chỉnh thô cách thay đổi nguồn dòng cấp cho cuộn cảm, chỉnh tinh thay đổi điện áp nối với đế tụ MOS, giá trị điện dung thay đổi theo điện áp dẫn đến tần số trung tâm thay đổi Băng tần S định nghĩa tiêu chuẩn IEEE cho sóng cao tần dải từ 2GHz tới 4GHz Băng tần S sử dụng radar thời tiết, radar thuyền bề mặt vài vệ tinh truyền thông, đặc biệt sử dụng NASA để trao đổi thông tin tàu thoi trạ vũ trụ quốc tế (ISS) Tại Mỹ, FCC chứng nhận DARS ( Digital Audio Radio Satelite) băng S dải tần từ 2.31GHz tới 2.36GHz, sử dụng Sirius XM Radio Dải tần số 2.6GHz sử dụng Trung Quốc để phát dịch vụ di động đa phương tiện, đài vệ tinh truyền hình di động Tại số nước băng tần S sử dụng cho dịch vụ DTH ( Direct to Home satellite), không giống dịch vụ hầu dùng băng tần Ku Dải tần cho dịch vụ nằm vùng từ 2.5GHz tới 2.7GHz Các thiết bị mạng không dây tương thích với tiêu chuẩn IEEE 802.11b 802.11g sử dụng phần 2.4GHz băng tần S Lò vi sóng hoạt động từ tần số 2495 2450 MHz Chuẩn IEEE 802.16a sử dụng dải tần 3.5GHz Tại Bắc Mỹ, 2.4 đến 2.483Ghz dải ISM sử dụng thiết bị khơng đăng kí dải tần ví dụ tai nghe không dây, gửi video thiết bị điện tử gia dụng bao gồm Bluetooth dải tần từ 2.492GHz tới 2.480 GHz Cuộn cảm tích cực mạch lọc tích cực thể nhiều ưu điểm so với cách thiết kế cuộn cảm thụ động truyền thống ( vòng dây kim loại), nghiên cứu tối ưu cuộn cảm tích cực mở khả thay cuộn cảm ví khuếch đại tạp âm thấp (LNA), tạo dao động, VCO, trộn References Behzad Razavi (2001), Design of Analog CMOS integrated Circuits, nhà xuất Mc Graw Hill, trang 31-32 Christian Andriesei (2010),Study of active filter topologies for telecommunication applications, SCS laboratory, Technical University "Gheorghe Asachi" / ETTI, SCS laboratory ROMANI, trang 24-33 David Córdova, Jorge De la Cruz, Carlos Silva (2009),A 2.3 GHz CMOS high-Q Bandpass filter design using an active inductor, XV Workshop Iberchip Buenos Aires FeiYuan (2008), CMOS Active inductor and transformer principle , implementation, and application, nhà xuất Springer Tr.21-98,149-167 HaiQiao Xiao( 2008), Design of radio frequency filter and oscillator in deep sub micron technology , Porland State University, trang 67-71 Kung-Hao LIANG, Chien-Chih HO, Chin-Wei KUO, and Yi-Jen, (2005),CMOS RF Band-Pass Filter Design Using the High Quality Active Inductor IEICE TRANS ELECTRON., VOL.E88–C, NO.12 DECEMBER 2005 Cadence tutorial .. .Bộ lọc thơng dải tích cực thiết kế mô chip siêu cao tần công nghệ TSMC 0.18um Bộ lọc có tần s trung tâm điều chỉnh để đáp ứng cho ứng dụng đa tiêu chuẩn (Multi Standard) Trước xuất mạch lọc. .. lọc tích cực loại mạch lọc thụ động thiết kế ứng dụng rộng rãi: lọc LC, lọc mạch dải tập trung, lọc tích cực s dụng khuếch đại thuật toán (chỉ s dụng với tần s thấp 100MHz), lọc SAW lọc SAW s ... đổi thông tin tàu thoi trạ vũ trụ quốc tế (ISS) Tại Mỹ, FCC chứng nhận DARS ( Digital Audio Radio Satelite) băng S dải tần từ 2.31GHz tới 2.36GHz, s dụng Sirius XM Radio Dải tần s 2.6GHz s