thiết kế bộ đánh thức cho mạng cảm biến không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY





Sinh viên thực hiện
:
PHẠM VĂN DANH


Lớp ĐT8 – K51
Giảng viên hướng dẫn
:
TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN

Hà nội, 5-2011
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐÁNH THỨC CHO MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY





Sinh viên thực hiện
:
NGUYỄN CÔNG ANH (Khối ED)

Lớp ĐT8 - K51


PHẠM VĂN DANH (Khối LNA)


Lớp ĐT11 – K51
Giảng viên hướng dẫn
:
TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN
Cán bộ phản biện
:
TS. NGUYỄN ĐỨC MINH







Hà nội, 5-2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANH Số hiệu sinh viên: 20060479
Khoá: 51 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử - Viễn thông
1. Đầu đề đồ án:
……………………………………………… ………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………… ………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………….……….
… ……………………… ………………………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….……………
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
…………………………………………………………………………………………………………………………… …
…… ….……………………………………………………………………………………………………………….……
4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
…………………………………………………………………………………………………………………… ……….…
……………………………………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: …………………………………………………………………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
…………………………………………………………….….………………
7. Ngày hoàn thành đồ án:
……………………………………………………………… …………………
Ngày tháng năm 2011
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2011
Cán bộ phản biện



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN DANH
Số hiệu sinh viên: 20060479
Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 51
Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN
Cán bộ phản biện: TS. NGUYỄN ĐỨC MINH
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:







2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm 2011
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

i

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực vô tuyến đã đem
lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta dễ dàng thu thập các thông tin ở bất kỳ
vùng địa lý nào và tại bất kỳ thời điểm nào. Hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các
phương pháp thu thập thông tin khác nhau, trong đó các ứng dụng của mạng cảm
biến không dây (Wireless Sensor Network) được phát triển ngày càng rộng khắp
trên thế giới cũng như ở nước ta.
Quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây đặt ra một số vấn
đề như vấn đề năng lượng tiêu thụ, vấn đề đồng bộ cảm biến, vấn đề mở rộng
mạng…Năng lượng luôn là yếu tô quan trọng của bất kì loại mạng nào. Với mạng
cảm biến không dây, do đặc thù của mạng có thể được triển khai và hoạt động ở
mọi lúc mọi nơi nên yêu cầu mỗi nút mạng phải có khả năng hoạt động liên tục
trong một thời gian dài. Do đó năng lương tiêu thụ là vấn đề được quan tâm hàng
đầu trong việc duy trì thời gian hoạt động của một nút mạng .

Mỗi một nút cảm biến là một thiết bị điện rất nhỏ, nên chỉ được trang bị
nguồn năng lượng hạn chế, trong hầu hết các ứng dụng, do đặc thù nên việc tiếp
thêm năng lượng là không thể thực hiện được. Cho nên thời gian tồn tại của nút cảm
biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng cảm biến đa kết
nối, mỗi nút vừa đóng vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục
trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình thái mạng,
phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó việc bảo tồn nguồn năng
lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Vì lý do đó, mà đã có nhiều
nhà nghiên cứu cố gắng đi tìm giải pháp để quản lý và sử dụng năng lượng một
cách có hiêu quả. Và một số phương án đã được đưa ra:
• Nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mới.
• Tính toán, thiết kế các thuật toán, giao thức ít tiêu tốn năng lượng.
• Thiết kế, tối ưu phần cứng của từng nút mạng.

ii

Trong đồ án này, một giải pháp tổng thể đã được đưa ra để tối ưu năng lượng
tiêu thụ của toàn mạng. Đó là kết hợp giữa việc tối ưu phần cứng với việc lựa chọn,
ứng dụng một giao thức truy nhập phù hợp. Thông thường, để để điều khiển truy
nhập giữa các nút mạng, người ta sử dụng chu trình điều khiển mà trong đó cả nút
thu mà phát sẽ được bật tắt theo chu kỳ được xác định bởi tín hiệu đồng bộ. Tuy
nhiên giữa nút thu và nút phát thường mất đồng bộ, dẫn tới các nút này được bật lên
không đúng thời điểm, tiêu tốn năng lượng vô ích. Thay vì như vậy, một đề xuất
được đưa ra là sử dụng một bộ thu phụ có chức năng giống như bộ thu chính tuy
nhiên nó có cấu tạo đơn giản hơn và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ, nó sẽ liên tục
giám sát kênh truyền, xử lý báo hiệu và gửi tín hiệu nhằm khởi động (đánh thức) bộ
thu phát chính khi cần thiết. Bộ thu phụ này còn gọi là bộ đánh thức.
Mục đích của đồ án là phân tích thiết kế bộ đánh thức tiêu thụ công suất thấp
500μW, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz cho mạng cảm biến không dây. Đặc biệt bộ
đánh thức này sẽ được thiết kế chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ CMOS 130 nm.

Đồ án gồm 4 chương:
 Chương 1. Lý thuyết chung
Trong chương đầu tiên này sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không
dây như là khái niệm, cấu trúc, ứng dụng. Những cơ sở lý thuyết chung nhất về các
linh kiện điện tử cơ bản như tụ điện, điện trở, cuộn cảm, transistor, lý thuyết về
công nghệ CMOS, đặc biệt là ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới đặc tính của các
linh kiện cũng sẽ được trình bày trong chương này. Phần cuối cùng sẽ trình bày sơ
lược về phần mềm Cadence đã sử dụng trong quá trình phân tích thiết kế.
 Chương 2. Phân tích thiết kế bộ đánh thức
Chương này sẽ trình bày những phân tích các yếu tố kỹ thuật như: công suất
tiêu thụ, độ nhạy, độ ổn định của các loại bộ thu từ đó đề xuất một cấu trúc phù hợp
cho bộ đánh thức. Sau đó, những vấn đề sơ lược nhất về các khối của cấu trúc bộ
đánh thức đã chọn sẽ được trình bày.
 Chương 3. Thiết kế khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA).
 Chương 4. Thiết kế khối tách biên (ED)
Hai chương này sẽ trình bày chi tiết về quá trình phân tích, thiết kế hai khối
quan trọng nhất của bộ đánh thức: khối khuếch đại tạp âm thấp và khối tách biên

iii

bao gồm cả những kết đạt được như: sơ đồ mạch, nguyên lý, các thông đã tối ưu, sơ
đồ layout…
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ
từ các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cũng như bè bạn trong viện, đặc biệt
phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan giáo viên
trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
Chúng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Nguyễn Thanh
Loan, các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập
thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng
góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra.

iv

Tóm tắt đồ án
Mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như quốc phòng, y tế, thương mại. Việc nghiên cứu phát triển và tối ưu
mạng cảm biến không dây là yêu cầu cấp thiết của thực tiễn. Một trong những vấn
đề cốt lõi khi xây dựng mạng cảm biết không dây là tối ưu công suất tiêu thụ của
toàn mạng. Trong nghiên cứu này giải pháp đã đưa ra là: sử dụng bộ đánh thức có
công suất tiêu thụ cực thấp, liên tục giám sát kênh truyền và đánh thức bộ truyền
thông dữ liệu chính khi cần thiết, nhờ vậy năng lượng tiêu hao của các nút mạng
cũng như toàn mạng đã được giảm đáng kể. Tuy nhiên một vấn đề mới đặt ra khi sử
dụng bộ đánh thức đó là: cấu trúc của bộ đánh thức phải như thế nào để vừa đảm
bảo được chức năng của một bộ thu vừa đáp ứng yêu cầu về năng lượng.

Mục đích của đồ án này là phân tích đề xuất một cấu trúc phù hợp cho bộ
đánh thức trong mạng cảm biến không dây sử dụng điều chế sóng mang AM ở dải
tần 2.4 GHz. Đồng thời ứng dụng công nghệ CMOS 130 nm để thiết kế và chế tạo
bộ đánh thức. Trong cấu trúc bộ thu mà chúng tôi đề xuất có sự khác biệt lớn so với
so với những cấu trúc truyền thống, đó là sử dụng một khối tách biên thực hiện giải
điều chế trực tiếp sóng mang không chuyển qua tần số trung gian tức là không dùng
bộ trộn, không dùng vòng khóa pha, đồng nghĩa với việc công suất tiêu thụ được
giảm xuống mức tối thiểu. Trên thực tế, chúng tôi đã tiến hành phân tích thiết kế hai
khối quan trọng nhất của bộ đánh thức là: khối khuếch đại tạp âm thấp, khối tách
biên. Bản thiết kế của cả hai khối này đã đươc đã được hoàn thành với công suất
tiêu thụ nhỏ 500 μW, độ nhạy tốt -40dB và độ ổn định cao.




v

Abstract
Wireless sensor networks have been increasingly and widely applied in many
application fields such as defense, medical and commercial. The practical
application of the wireless sensor network requires people who spent much more
time for research and optimizesthis network. One of the main issues when setting-
up a wireless network is optimeze th power consumption of the entire network. In
this study, we propose an approach to this point: using a wake-up receiver that
consumes the extremely low consumption to continuously monitors the channel and
wakes up the main tranceiver when necessary. Consequently, the energy
consumption of a node as well as entire network will be reduced significantly.
However, this poses a new problem when using the wake-up receiver that is: how to
the wake-up receiver structure we can design to ensure both the functionality and
power consumption requirement are satisfied.

The goal of this project is to analyze and propose a structure for the wake-up
receiver (of the wireless sensor network) using modulated AM carrier (OOK) at 2.4
GHz range. That base on 130 nm CMOS technology. This structure use a block,
called Envelope detector instead of mixers and phase lock loop (PLL) to detect the
envelope of input sinal and gives output signal in digital waveform. Envelope
detector plays the role of a direct AM demodulator.Carrier is not transferred through
intermediate frequency. As The mixer and phase-locked loop are not used, power
consumption is reduced significantly. In fact, we have carried out the design and
analysis of two blocks that are the most important block in wake_up receiver
structure: low noise amplifier block, envelope detector block. The design of both
these blocks have already been completed with low power consumption (500 W),
good sensitivity (- 40 dB) and high stability.





vi

Mục lục

Lời nói đầu i

Tóm tắt đồ án iv
Abstract v
Mục lục vi
Danh sách hình vẽ x
Danh sách các bảng biểu xiii
Danh sách các từ viết tắt xiv
Chương 1. Lý thuyết chung 1

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1
1.1.1 Khái niệm 1
1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1
1.1.3 Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây 3
1.1.4 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 4
1.2 Ứng dụng công nghệ CMOS trong thiết kế cao tần 7
1.2.1 Điện trở 7
1.2.2 Tụ điện 8
1.2.3 Cuộn cảm 9
1.2.4 Transistor MOSFET 9
1.3 Phần mềm mô phỏng 14
1.3.1 Một số khái niệm cơ bản trên Cadence IC 15
1.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý 17
1.3.3 Biểu diễn Cell với Virtuaso Symbol Editing 17

vii

1.4.4 Mô phỏng hoạt động của mạch nguyên lý 17

1.3.5 Thiết kế sơ đồ bố trí các lớp của IC 18
1.3.6 Kiểm tra sơ đồ layout theo quy tắc của nhà sản xuất 18
1.3.7 So sánh mạch nguyên lý với sơ đồ layout 18
Chương 2. Phân tích thiết kế bộ đánh thức 19
2.1 Tại sao cần có bộ đánh thức 19
2.2 Phân tích các kiến trúc bộ thu 21
2.2.1 Bộ thu thụ động 21
2.2.2 Bộ thu truyền thống 22
2.3 Kiến trúc đề xuất - Bộ thu trực tiếp 24
2.3.1 Cơ bản về bộ thu trực tiếp 24
2.3.2 Kiến trúc và nguyên lý hoạt động 24

2.4 Yêu cầu thiết kế bộ đánh thức 25
Chương 3. Thiết kế khối LNA 27
3.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế 27
3.2 Nguyên lý hoạt động 28
3.3 Các bước thiết kế 29
3.4 Phân tích và đánh giá kết quả đạt được theo từng bước thiết kế 29
3.4.1 Các tham số của mạch trước khi tối ưu 29
3.4.2 Xác định điện áp phân cực V
GS
trên M1 30
3.4.3 Xác định số finger của hai transistor 31
3.4.4 Xác định chiều dài (L) và chiều rộng (W) của mỗi Finger 33
3.4.5 Phối hợp trở kháng đầu vào (S
11
< -10 dB) 34
3.4.6 Phối hợp trở kháng đầu ra (S
22
< -10 dB) 37
3.4.7 Kết quả đạt được 45

viii

3.4.8 Thiết kế sơ đồ Layout cho khối LNA 46

3.4.9. Hướng tối ưu trong thời gian tới 49
Chương 4. Thiết kế khối tách biên 50
4.1 Nguyên lý giải điều chế sóng AM trực tiếp 50
4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 52
4.3 Nguyên lý hoạt động 53
4.4 Các bước thiết kế 55

4.4.1 Yêu cầu thiết kế 55
4.4.2 Thiết lập ban đầu 56
4.4.3 Xác định chế độ một chiều 57
4.4.4 Phối hợp trở kháng 60
4.4.5 Kết quả 64
4.4.6 Thiết kế layout 68
4.5 Kết luận 70
Kết luận 71
Tài liệu tham khảo 73
Phụ lục 1 74
Quy tắc kích thước khi layout 74
1.1 Bảng quy tắc layout. 74
1.2 Quy tắc layout 1x. 74
1.3 Quy tắc layout 2x 75
1.4 Quy tắc layout 3x 75
1.5 Quy tắc layout 4x 76
1.6 Quy tắc layout 5x 76
1.7 Quy tắc layout 6x 76

ix

1.8 Quy tắc layout 7x 77

x

Danh sách hình vẽ
Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây 1
Hình 1.2: Cấu tạo nút mạng cảm biến 2
Hình 1.3: Mô hình truyền sóng 4
Hình 1.4: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của kỹ thuật điều chế 6
Hình 1.5:Mô hình tương đương của điện trở ở tần số cao [1] 7
Hình 1.6: Sự phụ thuộc của điện trở vào tần số [1] 8

Hình 1.7: Mô hình tương đương của tụ điện [1] 8
Hình 1.8: Đặc tính dung kháng theo tần số [1] 8
Hình 1.9: Mô hình tương đương của cuộn cảm [1] 9
Hình 1.10: Sự phụ thuộc cảu cảm khắng vào tần số [1] 9
Hình 1.11: Cấu tạo transistor NMOS [1] 10
Hình 1.12: Đồ thị đặc tuyến hoạt động của transistor NMOS [2] 11
Hình 1.13: Mô hình NMOS khi V
GS
>0 12
Hình 1.14: Mô hình tín hiệu nhỏ của transistor mắc theo sơ đồ S chung [2]. 14
Hình 1.15: Quy trình thiết kế IC 15
Hình 2.1: Chu trình hoạt động của nút trong mạng cận đồng bộ 20
Hình 2.2: Chu trình hoạt động của nút khi có bộ đánh thức 21
Hình 2.3: Hệ thống RFID 21

Hình 2.4: Kiến trúc supper-heterodyne 22
Hình 2.5: Kiến trúc low_IF 23
Hình 2.6: Kiến trúc bộ thu trực tiếp 25
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý khối LNA 27

Hình 3.2: Sơ đồ khối LNA 28
Hình 3.3: Mô hình tương đương của khối LNA với tín hiệu đầu vào nhỏ 28
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn Gmax, NFmin theo Vbias_M1 30
Hình 3.5: Đồ thị quan hệ giữa Vbias , số finger M2 và I
d
31
Hình 3.6: Sơ đồ minh họa transistor có cùng W/L nhưng khác nhau số finger 31
Hình 3.7: Đồ thị quan hệ giữa Gmax với n1 tương ứng với các giá trị khác nhau của
n2 32

xi

Hình 3.8: Đồ thị quan hệ giữa NFmin với n1 với n1 tương ứng với các giá trị khác
nhau của n2 32

Hình 3.9: Đồ thị NFmin theo chiều rộng của finger (W) và chiều dài kênh L 33
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mới sau khi mắc thêm tụ Cex 35
Hình 3.11: Đồ thị Gmin theo Vbias và số Finger của M2 (n2) trên đồ thị Smith 35
Hình 3.12: Đồ thị S
11
theo Cex và Cin 36
Hình 3.13: Đồ thị quan hệ giữa S
11
và Cin 36
Hình 3.14: Giá trị Gmax, NFmin sau khi phối hợp trở kháng đầu vào 37
Hình 3.15: Đồ thị quan hệ giữa S
22
và Cout 38
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mắc thêm điện trở để phối hợp trở kháng đầu ra 38
Hình 3.17: Đồ thị biểu diễn đồ lớn của S
11
, S
22
theo giá trị R 39
Hình 3.18: Đồ thị S
11
theo số finger của M2 (8 ÷ 64) 40
Hình 3.19: Đồ thị S
11

theo Vbias_M1 (300 mV÷800 mV) 40
Hình 3.20: Đồ thị Gmax, NFmin theo Vbias với số Finger của M1, M2 là 8 41
Hình 3.21: Đồ thị quan hệ giữa S
11
, S
22
với số finger của M2 (n2) 41
Hình 3.22: Đồ thị S
22
theo Cout với n1 =8, n2 =12, Vbias = 500 mV, R = 1,3 KΩ . 42
Hình 3.24: Đồ thị S
11
theo Cex và tần số. 43
Hình 3.25: Đồ thị S
11
theo Cin và tần số 43
Hình 3.26: Đồ thị các tham số của ma trận S theo tần số 44
Hình 3.27: Hệ số NF, NFmin theo tần số 45
Hình 3.28: Sơ đồ layout của transistor M1 46
Hình 3.29: Sơ đồ layout tụ điện Cin 47
Hình 3.30: Sơ đồ layout cuộn cảm Lbias 48
Hình 3.31: Sơ đồ Layout tổng thể khối LNA 48
Hình 4.1: Bộ tách biên - giải điều chế sóng AM đơn giản 50

Hình 4.2: Đặc tuyến của diode làm bằng Silic và Germanium 51
Hình 4.3: Tín hiệu giải điều chế OOK 52
Hình 4.4: Sơ đồ mạch 53
Hình 4.5: Mô hình mạng hai cửa của mạch tách biên 54
Hình 4.6: Đồ thị khảo sát Gmax theo V
bias

và V
dc
58
Hình 4.7: Đồ thị nhiễu theo V
bias
và V
dc
59

xii

Hình 4.8: Đồ thị smith khảo sát Gmin theo n
1
và n
2
60
Hình 4.9: Đồ thị khảo sát Gmin theo n1, n2 61
Hình 4.10: Đồ thị smith khảo sát S
11
theo l
c1
và n
l2
61
Hình 4.11: Đồ thị khảo sát S
11
theo n
1
và n
2

62
Hình 4.12: Đồ thị Smith khảo sát S22 theo lc2 63
Hình 4.13: Đồ thị khảo sát S22 theo n1 và n2 63
Hình 4.14: Đồ thị S22 theo n2 khi n1=8 64
Hình 4.15: Đồ thị khảo sát nhiễu theo tần số 66
Hình 4.16: Đồ thị khảo sát gain theo kích thước transistor 67
Hình 4.17: Đồ thị khảo sát nhiễu theo kích thước transistor 67
Hình 4.18: Đồ thị dạng tín hiệu ra 68

Hình 4.19: Sơ đồ layout tổng thể khối tách biên 69
Quy tắc 1.1: Quy tắc layout lớp N-well 74

Quy tắc 1.2: Quy tắc layout P+, N+ 75
Quy tắc 1.3: Quy tắc layout lớp polysilicon 75
Quy tắc 1.4: Quy tắc layout lớp contact 76
Quy tắc 1.5: Quy tắc layout lớp kim loại 76
Quy tắc 1.6: Quy tắc layout lớp via 76
Quy tắc 1.7: Quy tắc layout lớp via2 77

xiii

Danh sách các bảng biểu
Bảng 3.1: Bảng các tham số ban đầu của LNA trước khi tối ưu 29
Bảng 3.2: Bảng tham số LNA trước khi phối hợp trở kháng 34
Bảng 3.3: Tham số của LNA sau khi phối hợp trở kháng 46
Bảng 4.1: Bảng các yêu cầu thiết kế 56
Bảng 4.2 : Các thiết lập ban đầu 57
Bảng 4.3: Giá trị một chiều của transistor 59
Bảng 4.4: Các tham số sau vào sau khi tối ưu 65
Bảng 4.5: Giá trị điện áp, dòng điện của transistor đã tối ưu 65
Bảng 1.1: Bảng các quy tắc layout 74

xiv

Danh sách các từ viết tắt
AM
Amplitude Modulation
Điều chế biên độ
ASK
Amplitude Shift Keying
Điều biến dịch biên độ
BJT
Bipolar Junction Transistor
Transistor lưỡng cực
CMOS
Complementary Metal-Oxide-
Semiconductor
Công nghệ sử dụng trong thiết kế
IC
ED
Envelope Detector
Khối tách biên
FM
Frequency Modulation
Điều chế tần số
FSK
Frequency Shift Keying
Điều biến dịch tần số

Gmax
Gain maximum
Hệ số khuếch đại lớn nhất
IC
Integrated Circuit
Mạch tích hợp
IF
Intermediate frequency
Tần số trung tần
LNA
Low Noise Amplifier
Khối khuếch đại tạp âm thấp
LO
Local Oscillator
Bộ dao động nội
MOSFET
Metal oxide semiconductor field-
effect Transistor
Transistor hiệu ứng trường kênh
cảm ứng.
NFmin
Noise Figure minimum
Hệ số nhiễu tối thiểu
NMOS
Negative Metal Oxide
Semiconductor
Transistor hiệu ứng trường loại N
OOK
ON OFF Keying
Điều chế số theo phương thức bật

tắt sóng mang
PMOS
Posistive Metal Oxide
Semiconductor
Transistor hiệu ứng trường loại P
PSK
Phase Shift Keying
Điều biến dịch pha
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
RFID
Radio frequency identification
Thẻ nhận dạng sử dụng sóng vô
tuyến
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
UWB
Ultra Wideband
Băng thông rộng
Wu_Rx
Wake-up Receiver
Bộ đánh thức



1

Chương 1. Lý thuyết chung
1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1 Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) là sự kết hợp các khả
năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát,
phân tích và phản ứng lại các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong một môi trường cụ
thể nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hay hệ thống sinh học…
1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ bốn thành phần cơ bản:
- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân tán.
- Mạng lưới liên kết các cảm biến (không dây hoặc có dây).
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu.
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.


Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây
Hình 1.1 giới thiệu một mô hình cấu trúc mạng cảm biến phổ biến. Các cảm
biến liên kết theo giao thức multihop, phân chia cluster, chọn ra nút có khả năng tốt
nhất làm nút trung tâm, tất cả các nút loại này sẽ truyền dữ liệu về nút xử lý chính.

2

Nhờ vậy năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ được sử dụng hiệu quả
hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
- Các nút phân bố dầy đặc.
- Các nút dễ bị hư hỏng.
- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
- Các nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán, bộ nhớ.
- Các nút có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng các

nút lớn.

Hình 1.2: Cấu tạo nút mạng cảm biến
Cấu trúc của một nút trong mạng cảm biến được biểu diễn như hình 1.2:
- Bộ cảm biến (Sensor)
- Bộ xử lý (Processor)
- Bộ truyền thông (Transceiver)
- Bộ nguồn (Power)
- Các phần ứng dụng khác.
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 (Zigbee).
Hoạt động tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM). Cung cấp
đường truyền dữ liệu lên tới 250 Kbps ở khoản cách từ 10 m đến 60 m. Zigbee được

3

thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như Bluetooth, Wifi, Ultra
wideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại.
Trong những năm gần đây các nghiên cứu về WSNs đã đạt những bước phát
triển mạnh mẽ, hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
an ninh quốc phòng, chăm sóc sức khỏe, môi trường năng lượng, an toàn thực phẩm
và sản xuất. Sau đây là những ứng dụng phổ biến của WSNs:
- Quân sự: Theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công
nguyên tử, sinh hóa…
- Môi trường: Giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão lũ, động đất, sóng
thần…
- Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều
khiển từ xa…
- Gia đình: Ngôi nhà thông minh, điều khiển thiết bị điện, hệ thống sưởi
ấm…
- Thương mại: Điều khiển trong môi trường công nghiệp, văn phòng, giám

sát xe cộ, giao thông…
1.1.3 Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây
Nút mạng được cấu tạo từ bốn thành phần cơ bản: Bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
truyền thông, bộ nguồn. Trong đó ba thành phần đầu tiên tiêu thụ năng lượng.
Công nghệ cảm biến ngày càng phát triển, bộ cảm biến ngày càng được tối ưu về
kích thước, hiệu quả hoạt động, năng lượng tiệu thụ có thể được giảm tới mức
không đáng kể. Trong khi đó, bộ xử lý sử dụng các vi xử lý số (chế tạo theo công
nghệ CMOS) có dòng điện hoạt động nhỏ, tiêu thụ một năng lượng tương đối thấp.
Bộ truyền thông với sự xuất hiện của các mạch tương tự, các linh kiện thụ động
tiêu thụ công suất vượt trội.
Do yêu cầu chức năng phần truyền thông bao gồm cả phát và thu số liệu cáo
cấu trúc tương đối phức tạp. Trong mạch thu phát, thường sử dụng các bộ trộn, các
bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khóa pha (PPL) và các bộ khuếch
đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là không chỉ quan tâm
đến công suất tiêu thụ tích cực mà còn xem xét tới công suất tiêu thụ khởi phát.
Thời gian khởi phát có thể lên tới hàng trăm s làm cho công suất khởi phát trở nên

4

đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát cao được cho là do thời gian khóa của
vòng khóa pha. Khi kích thước gói tin giảm nhỏ thì công suất khởi phát trở nên
đáng kể so với công suất tiêu thụ tích cực. Làm cho quá chuyển trạng thái từ tắt
(OFF) sang mở tiêu thụ một lượng điện năng lớn. Do ảnh hưởng của fading và suy
giảm đường truyền theo lũy thừa bậc cao, nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn
khi khoảng cách đường truyền tăng.
Như vậy muốn tối ưu năng lượng của nút mạng cảm biến thì cần phải tập
trung nghiên cứu phần truyền thông của nút. Từ những cấu trúc hiện có chúng ta có
thể tối ưu các tham số để giảm công suất tiêu thụ cho bộ phận truyền thông. Tuy
nhiên, để đạt được đột phá trong việc giảm công suất tiêu thụ chúng ta cần có những
nghiên cứu để thay đổi cấu trúc hiện có, tránh sử dụng những khối tiêu thụ công

suất lớn.
1.1.4 Kỹ thuật truyền dẫn không dây
a. Quá trình truyền sóng
Truyền sóng vô tuyến trong mạng WSNs thường dưới dạng trực tiếp hay
không gian tự do. Sóng phát ra từ nguồn, đi theo tất cả các hướng theo đường thẳng,
năng lượng thay đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách và suy hao trong các môi trường
không phải là không gian tự do (như cáp đồng trục, tòa nhà, các vật cản…).

Hình 1.3: Mô hình truyền sóng




5


Có thể chia làm ba hiện tượng chính ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng:
- Phản xạ (Reflection): Sóng có bước sóng đủ lớn so sánh được với vật
thể, bề mặt nhẵn. Sự phản xự xảy ra từ bề mặt trái đất, tòa nhà…
- Nhiễu xạ (Diffraction): Đường truyền từ máy thu tới máy phát bị cản
trở bởi bề mặt vật thể có nhiều đỉnh, góc nhọn.
- Tán xạ (Scattering): các vật thể có kích thước nhỏ hơn bước sóng nằm
trên đường truyền sóng. Các vật thể có bề mặt nhám, gồ ghề, nhỏ có
thể gây ra hiện tượng này.
Tín hiệu thu được là sự kết hợp của sóng phản xạ từ nhiều hướng khác nhau,
các thành phần nhiễu xạ, tán xạ với tín hiệu theo hướng trực tiếp có thể. Hiện tượng
này gây ra méo tín hiệu và giảm công suất tín hiệu. Nó được gọi là nhiễu đa đường
(Multipath). Vấn đề đa đường trong cao tần có thể giảm bớt ảnh hưởng bằng cách
nâng cao chất lượng các thiết kế sau:
- Thiết kế hệ thống vô tuyến.

- Thiết kế hệ thống anten.
- Dùng dạng tín hiệu điều chế thích hợp.
b. Điều chế tín hiệu
Tín hiệu được truyền đi ở dải tần cơ bản (baseband) tức là tín hiệu được phát
đi trực tiếp qua kênh truyền không qua biến đổi sóng mang. Tuy nhiên hệ thống
baseband thường bị giới hạn về khả năng truyền thông tin ở khoảng cách xa. Do đó
tín hiệu thường được điều chế trước khi truyền đi.
Dạng điều chế tín hiệu thường được sử dụng là điều chế biên độ(AM), điều
chế pha (PM), điều chế tần số (FM). Một số dạng điều chế số tương ứng là ASK
(amplitude shift keying), PSK (phase shift keying), FSK (frequency shift keying),
và sự kết hợp PSK-ASK tạo thành QAM (quadrature amplitude modulation).
Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơn
sóng mang có băng thông phổ W, được định nghĩa bởi công thức Shannon:
C = Wlog
2
(1 + S/N)
(1.1)



6

Trong đó: S là công suất tín hiệu.
N là công suất nhiễu (giả sử kênh truyền có tác động của nhiễu
cộng Gaussian.)

Hình 1.4: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của kỹ thuật điều chế

Hình 1.4 cho thấy hiệu quả đạt được khi sử dụng các kỹ thuật điều chế khác
nhau. Tỷ sô tín hiệu trên tạp âm ứng với một tốc độ bit nhất định. Ở tốc độ bit thấp

thì BDPSK cho SNR tốt hơn trong khi ở tốc độ bit cao hơn, QAM hay PSK lại cho
SNR tốt hơn.
Như vậy tùy thuộc vào ứng dụng, độ phức tạp, tốc độ bit, mà ta chọn kỹ
thuật điều chế phù hợp để đạt chất lượng mong muốn. Trong phạm vi của đồ án, chỉ
nghiên cứu về mạng cảm biến có quy mô nhỏ, dung lượng thông tin không lớn, kích
thước gói tin nhỏ, và yêu cầu về tốc độ dữ liệu không quá cao (200Kbps) nên sẽ sử
dụng một phương thức điều chế AM đơn giản được gọi là OOK (On-Off keying).
Trong phương thức điều chế này, khi tín hiệu vào là bit 1 sóng mang cao tần sẽ
được truyền đi một khoảng thời gian tương đương với độ rộng bit, khi tín hiệu vào
là bit 0 sóng mang sẽ không được truyền đi. Chính nhờ tính chất đơn giản của OOK
mà một cấu trúc bộ thu mới tối ưu về mặt năng lượng đã được đề xuất.

7

1.2 Ứng dụng công nghệ CMOS trong thiết kế cao tần
CMOS, viết tắt của cụm từ Complemantary metal oxide semiconductor, là
một công nghệ thiết kế vi mạch được phát minh bởi Frank Wanlass vào năm 1963
tại hãng Fairchild Semiconductor. Công nghệ này sử dụng các transistor hiệu ứng
trường (MOSFET) bao gồm cả NMOS và PMOS. Thuộc tính đáng chú ý của công
nghệ CMOS là transistor MOSFET chỉ tiêu tán năng lượng trong quá trình hoạt
động do đó năng lượng tiệu thụ của mạch CMOS rất thấp, đồng thời công nghệ
CMOS có kích thước rất nhỏ nên cho phép tích hợp ở mật độ cao hơn. Nhờ có ưu
điểm này mà CMOS dần thay thế công nghệ lưỡng cực (sử dụng transistor BJT).
Trong vi mạch mà chúng tôi thiết kế sẽ sử dụng công nghệ CMOS 130nm,
với linh kiện chính là transistor MOSFET, ngoài ra sử dụng thêm một số điện trở,
cuộn cảm và tụ điệntheo công nghệ CMOS và hoạt động ở tần số cao. Dưới đây sẽ
trình bày sơ lược về cấu tạo, đặc tính của các linh kiện này, đặc biệt có xét tới ảnh
hưởng của tín hiệu tần số cao tới hoạt động của các linh kiện (mạch thiết kế sẽ nhận
tín hiệu vào ở tần số 2.4 GHz).
1.2.1 Điện trở

Hiện nay trong các vi mạch đều sử dụng các điện trở màng mỏng, do kích
thước cực nhỏ của chúng [1].

Hình 1.5:Mô hình tương đương của điện trở ở tần số cao [1]

Hình 1.5 mô tả mô hình tương đương của điện trở khi có tín hiệu tần số cao
đi qua. Như vậy ở tần số cao điện trở sẽ xuất hiện các tụ điện và cuộn cảm ký sinh,
lúc này nó không còn là thuần trở, và giá trị điện trở phụ thuộc vào tần số.