Thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng S dùng công nghệ CMOS và phần mềm cadence

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





BÙI TÂN MẪN


THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI
TÍCH CỰC SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG
CÔNG NGHỆ CMOS VÀ PHẦN MỀM
CADENCE



LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà Nội- 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


BÙI TÂN MẪN


THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI
TÍCH CỰC SIÊU CAO TẦN BĂNG S DÙNG
CÔNG NGHỆ CMOS VÀ PHẦN MỀM
CADENCE


Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số : 60 52 70


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Bạch Gia Dương






Hà Nội- 2011
3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1.BỘ LỌC SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÔNG 9
1.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VIỄN THÔNG 9
1.1.1 Hệ thống di động 2G/3G/4G 9
1.1.2 Tiêu chuẩn LAN không dây (WLAN) 10
1.1.3 Tiêu chuẩn Bluetooth 11
1.1.4 Ứng dụng GPS 12
1.1.5 Ứng dụng WiMAX 12
1.2 HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN 12
1.2.1 Phân loại bộ lọc theo hàm truyền 16
1.2.2 Phân loại bộ lọc theo đặc tính 17
1.2.3 Tham số đặc trƣng của bộ lọc 18
1.2.4 Yêu cầu đối với bộ lọc 22
1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ BÁN DẪN 24
1.3.1 Đặc tính transitor CMOS 26
1.3.2 Bộ truyền dẫn (transconductor) 29
1.3.3 Cuộn cảm hình xoắn ốc (spiral inductor) 29
CHƢƠNG 2- MẠCH LỌC THÔNG DẢI SỬ DỤNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC 32
2.1 CẤU HÌNH MẠCH LỌC THÔNG DẢI VỚI CUỘN CẢM TÍCH CỰC 32
2.2 CÁC LOẠI BỘ LỌC TÍCH CỰC 33
2.2.1 Bộ lọc thông dải Wu 33
2.2.2 Mạch lọc thông dải Thanachayanont 34
2.2.3 Bộ lọc thông dải Xiao –schaumann 35
2.2.4 Bộ lọc thông dải Thanachayanont-Payne 35
2.2.5 Bộ lọc thông dải tích cực bậc cao 36
2.3 CUỘN CẢM TÍCH CỰC 37
2.3.1 Cuộn cảm tích cực gyrator-C một cực không tổn hao 37

2.3.2 Cuộn cảm tích cực gyrator-C hai đầu tự do không tổn hao ( Lossless
Floating Gyrator-C Active Inductors) 39
2.3.3 Cuộn cảm tích cực một đầu có tổn hao ( Lossy Single Ended Gyrator C
Active inductor) 39
4



2.3.4 Cuộn cảm tích cực 2 đầu tự do có tổn hao 40
2.4 MỘT SỐ LOẠI CUỘN CẢM TÍCH CỰC 41
2.4.1 Cuộn cảm tích cực Karsilaya-Schaumann 41
2.4.2 Cuộn cảm tích cực Thanachayanont-Payne mắc theo kiểu cascode. 42
2.4.3 Cuộn cảm tích cực 2 đầu tự do Thanachayanont 43
2.5 ĐẶC TÍNH CỦA CUỘN CẢM TÍCH CỰC 44
2.5.1 Dải tần số : 44
2.5.2 Điều chỉnh tần số cộng hƣởng 45
2.5.3 Hệ số chất lƣợng 45
2.5.4 Phân tích tạp âm của cuộn cảm tích cực 46
2.5.5 Phƣơng pháp tăng hệ số chất lƣợng cuộn cảm tích cực 48
CHƢƠNG 3 - THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN CADENCE 51
3.1 PHẦN MỀM CADENCE 51
3.2 MÔ PHỎNG MẠCH CỘNG HƢỞNG RLC 52
3.3 MÔ PHỎNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC 54
3.4 MẠCH LỌC TÍCH CỰC DÙNG SỬ DỤNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC 58
3.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60
KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

5




MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW EGSM 10
Hình 2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WCDMA 10
Hình 3 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WLAN 11
Hình 4 Đáp ứng tần số bộ lọc SAW, f
0
=5775 MHz 11
Hình 5 Cấu trúc mạch thu phát siêu cao tần 13
Hình 6 Mặt trước và sau của điện thoại di động và vị trí của các bộ lọc 15
Hình 7 Chuyển hóa các mạch lọc (a) thông thấp (b) thông cao 16
Hình 8 Đáp ứng các bộ lọc (a) thông thấp b( thông cao (c) thông dải (d) chặn dải 17
Hình 9 So sánh đáp ứng tần số các loại bộ lọc thông thấp khác nhau 17
Hình 10 mô phỏng NF 19
Hình 11 Điểm nén 1dB 20
Hình 12 Tín hiệu đi qua mạch điện phi tuyến 20
Hình 13 IIP3 21
Hình 14 Bộ cộng hưởng RLC 22
Hình 15 Đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng bậc 2 22
Hình 16 Chọn tín hiệu trong dải tần mong muốn, triệt tín hiệu ngoài dải 23
Hình 17 Tạp âm dải rộng phát trong dải bộ thu. 24
Hình 18 Yêu cầu chặn tín hiệu của bộ lọc trong ứng dụng bluetooth 24
Hình 19 Kí hiệu transitor và mô hình tín hiệu nhỏ 26

Hình 20Mặt cắt transitor NMOS 27
Hình 21 Miền làm việc của transitor 27
Hình 22 Mặt cắt và điện dung kí sinh trên NMOS 28
Hình 23 Tụ Cgs và Cgd với tương ứng với miền làm việc của transitor 28
Hình 24 Cấu trúc bộ truyền dẫn cơ bản 29
Hình 25 Bộ truyền dẫn vi sai có giá trị dương 29
Hình 26 Cuộn cảm layout trên đế CMOS và mô hình mạch điện tương đương 30
Hình 27 Bộ lọc thông dải sử dụng cuộn cảm tích cực 33
Hình 28 Bộ lọc thông dải sử dụng cuộn cảm tích cực vi sai 33
Hình 29 Cấu trúc mạch lọc thông dải vi sai sử dụng cuộn cảm tích cực 34
Hình 30 Mạch lọc thông dải Thanachayanont 34
Hình 31 Mạch lọc thông dải Xiao Schaumann 35
Hình 32 Mạch lọc thông dải Thanachayanont-Payne 36
Hình 33 Mạch lọc thông dải được đề nghị bởi Liang 36
Hình 34 Sơ đồ khối cuộn cảm tích cực không tổn hao 38
Hình 35 Cuộn cảm tích cực hai đầu tự do không tổn hao 39
Hình 36 Cuộn cảm tích cực hồi chuyển C một cực có tổn hao 40
Hình 37 Cuộn cảm tích cực hai đầu tự do có tổn hao 41
Hình 38 Mô hình mạch điện cuộn cảm tích cực Karsilaya-Schaumann 42
Hình 39 Mô hình tín hiệu nhỏ của cuộn cảm tích cực Karsilayan-Schaumann 42
6



Hình 40 Cuộn cảm tích cực mắc thêm cascode 43
Hình 41 Mô hình cuộn cảm tích cực Thanachayanont 2 đầu tự do 44
Hình 42 Bode plot điện kháng của cuộn cảm tích cực có tổn hao 44
Hình 43 Mặt cắt của biến dung MOS và giá trị điều chỉnh 45
Hình 44 Hệ số chất lượng theo Rp,Rs 46
Hình 45 Mô hình MOSFET có nhiễu 46

Hình 46 Cuộn cảm tích cực và mô hình mạch điện nhiễu tương đương 47
Hình 47 Điện trở âm 48
Hình 48 Mạch lọc tích cực sử dụng điện kháng âm để tăng hệ số chất lượng 50
Hình 49 Giao diện phần mềm cadence 51
Hình 50 Giao diện thiết lập mô phỏng 52
Hình 51 Mạch RLC và Zin 52
Hình 52 Điện kháng của mạch RLC thay đổi Rs 53
Hình 53 Thay đổi Cp 53
Hình 54 Thay đổi Rp 54
Hình 55 Cuộn cảm tích cực Karshilayan-Schaumman 54
Hình 56 Mô hình tín hiệu nhỏ cuộn cảm Karshilayan-Schaumman 55
Hình 57 Thực hiện mạch điện trên Cadence 55
Hình 58 Điện kháng của cuộn cảm tích cực 56
Hình 59 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm lý tưởng 56
Hình 60 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm tích cực 57
Hình 61 Cadence tính toán điểm làm việc và các tham số linh kiện 58
Hình 62 Mạch lọc tích cực bậc 6 59
Hình 63 Mạch lọc tích cực bậc 2 59
Hình 64 Điều chỉnh tần số trung tâm bằng cách thay đổi dòng I
0
60
Hình 65 Điều chỉnh tần số trung tâm với I0 từ 40uA tới 80uA 60
Hình 66 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo dòng điện. 61
Hình 67 Tinh chỉnh tần số cộng hưởng bộ lọc bậc 2 61
Hình 68 Tín hiệu vào 2GHz, lối ra bị triệt. 62
Hình 69 Tín hiệu vào 2.7GHz tại tần số cộng hưởng 62
Hình 70 Tại tần số 4GHz, lối ra bị triệt 63
Hình 71 Hệ số tạp NF 63

7

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tổng quan về tiêu chuẩn không dây 3G 9
Bảng 2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 11
Bảng 3 Tiêu chuẩn Bluetooth 11
Bảng 4 So sánh WiMAX và các công nghệ khác 12
Bảng 5 Đặc tính các bộ lọc 14
Bảng 6 Bộ lọc thông dải bậc 4 vi sai Thanachayanont sử dụng cuộn cảm tích cực 35
Bảng 7 Hệ số chất lượng và tần số cộng hưởng phụ thuộc vào Rp,L,Cp,Rs 54
Bảng 8 Giá trị điện cảm theo dòng điện 57
Bảng 9 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo VF 61
8




BẢNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
KÍ HIỆU
TIẾNG ANH
TIẾNG VIỆT
SAW
Surface Acoustic Wave
Sóng dao động bề mặt
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp

PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
SRF
Self Resonant Frequeny
Tần số cộng hưởng
DSP
Digital Signal Processing
Xử lý hiệu số
NF
Noise Figure
Hệ số tạp nhiễu
1dB
1dB Compression Point
Điểm nén 1 dB
IIP3
Third order intercept point
Điểm cắt bậc 3
WCDMA
Wide Band Code Division Multiple
Acess
Truy cập đa mã băng rộng
PWB
Print Wire Board
Đường mạch in
G
m

Transconductor
Bộ truyền dẫn

NIC
Negative Impedance Circuit
Mạch điện kháng âm









1



MỞ ĐẦU
Khi xem xét hệ thống thu phát cao tần, ta thấy bộ lọc đóng vai trò hết sức quan
trọng trong đƣờng truyền tín hiệu từ anten cho tới bộ xử lý tín hiệu. Bao gồm : bộ lọc
thông dải, bộ lọc chống chồng phổ, bộ lọc chọn kênh. Có nhiều cách để phân loại bộ
lọc nhƣ: dựa theo hàm truyền, theo các thành phần cấu thành nên bộ lọc, bộ lọc tích
cực, bộ lọc thụ động, bộ lọc thông dải, bộ lọc chặn dải, bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông
cao. Bộ lọc xử lý thời gian liên tục, thời gian rời rạc, bộ lọc tƣơng tự, bộ lọc số. Trong
lĩnh vực siêu cao tần thƣờng sử dụng bộ lọc LC, hoặc mạch dải. Các thiết bị thu phát
di động cầm tay thƣờng sử dụng mạch lọc SAW (Surface Acoustic Filter) tuy nhiên
với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị ngày một nhỏ hơn thì việc tích hợp tất cả
các khối/các mạch điện trong một IC đơn nhất (RF IC) đã đƣợc thực hiện. Chỉ có duy
nhất bộ lọc siêu cao tần chƣa đƣợc tích hợp trên công nghệ CMOS. Luận văn với tiêu
đề “thiết kế mô phỏng mạch lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng S sử dụng công
nghệ CMOS bằng phần mềm Cadence” trình bày cách thực hiện mạch lọc tích hợp trên

công nghệ CMOS, và các kết quả mô phỏng thu đƣợc.
Bộ lọc thông dải tích cực đƣợc thiết kế và mô phỏng chip siêu cao tần trên công nghệ
TSMC 0.18um. Bộ lọc có tần số trung tâm có thể điều chỉnh đƣợc để đáp ứng cho các
ứng dụng đa tiêu chuẩn (Multi Standard). Trƣớc khi xuất hiện mạch lọc tích cực thì các
loại mạch lọc thụ động đƣợc thiết kế và ứng dụng rộng rãi: bộ lọc LC, bộ lọc mạch dải
tập trung, bộ lọc tích cực sử dụng khuếch đại thuật toán (chỉ sử dụng đƣợc với tần số
thấp hơn 100MHz), bộ lọc SAW trong đó bộ lọc SAW đƣợc sử dụng nhiều hơn cả
trong các thiết bị thu phát bởi: chất lƣợng tốt, độ triệt cao tại vùng chặn dải, vùng
chuyển tiếp có độ dốc lớn. Mach lọc thông dải tích cực đƣợc nghiên cứu trong luận
văn bao gồm 2 bộ truyền dẫn (transconductor) mắc theo chiều ngƣợc nhau. Với các
ứng dụng khác, tụ điện kí sinh là nguy hiểm và góp phần làm giảm chất lƣợng của
mạch điện. Tuy nhiên với cuộn cảm tích cực sử dụng transitor thì tụ điện kí sinh trên
linh kiện đƣợc sử dụng để thay thế tụ cộng hƣởng. Lợi dụng tính chất cộng hƣởng này,
tín hiệu điện áp lối vào qua một bộ chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện, dòng điện
này đi vào cuộn cảm tích, nhƣ vậy mạch điện có tính chất chọn lọc tần số. Vì vậy đƣợc
sử dụng nhƣ là bộ lọc.
Các phần trình bày trong luận văn bao gồm:
Chƣơng 1. “Bộ lọc sử dụng trong viễn thông”, phần 1.1 trình bày về các ứng dụng
viễn thông nhƣ : GSM, Bluetooth, WLAN, GPS, WiMax trong đó sử dụng các bộ lọc
với đặc tính thế nào để đáp ứng yêu cầu cho từng ứng dụng. Trong đó bộ lọc SAW
đƣợc sử dụng một cách rộng rãi. Phần 1.2 trình bày về hệ thống thu phát cao tần, trong
đó nhấn mạnh vai trò và sự xuất hiện của bộ lọc nhƣ : bộ lọc thông dải, bộ lọc chống
chồng phổ, bộ lọc triệt ảnh tần số, bộ lọc chọn dải. Các tiêu chuẩn phân loại bộ lọc
khác nhau, các tham số đặc trƣng nhƣ hệ số tạp âm (NF), điểm nén 1dB, và các yêu
cầu đối với bộ lọc nhƣ chặn tín hiệu trong dải, chặn tín hiệu ngoài dải. Phần 1.3 trình
bày về công nghệ bán dẫn CMOS và các kiến thức liên quan. Để thiết kế đƣợc mạch
tƣơng tự CMOS cần hiểu về đặc tính I-V, tụ điện kí sinh luận văn mô phỏng sử dụng
công nghệ TSMC 0.18um.
2

Chƣơng 2. Trình bày nguyên lý các mô hình mạch lọc tích cực, các cấu hình cuộn cảm
tích cực. Các phƣơng trình tính giá trị cảm, tụ điện, và điện trở. Cuộn cảm tích cực
đƣợc mô hình hóa là mạch R,L,C song song. Các tiêu chuẩn và đặc tính của cuộn cảm
tích cực.
Chƣơng 3. Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực trên phần mềm cadence. Phƣơng pháp
điều chỉnh tần số trung tâm, và kết quả mô phỏng trên miền tần số và miền thời
gian.Điều chỉnh tần số bao gồm chỉnh thô và tinh chỉnh, chỉnh thô bằng cách thay đổi
nguồn dòng cấp cho cuộn cảm, chỉnh tinh sẽ thay đổi điện áp nối với đế của tụ MOS,
giá trị điện dung thay đổi theo điện áp dẫn đến tần số trung tâm thay đổi.

Băng tần S định nghĩa bởi tiêu chuẩn IEEE cho sóng cao tần trong dải từ 2GHz
tới 4GHz. Băng tần S đƣợc sử dụng bởi các radar thời tiết, radar thuyền bề mặt và một
vài vệ tinh truyền thông, đặc biệt sử dụng bởi NASA để trao đổi thông tin giữa tàu con
thoi và trạ vũ trụ quốc tế (ISS). Tại Mỹ, FCC chứng nhận DARS ( Digital Audio Radio
Satelite) trong băng S dải tần từ 2.31GHz tới 2.36GHz, đang đƣợc sử dụng bởi Sirius
XM Radio. Dải tần số 2.6GHz còn đƣợc sử dụng tại Trung Quốc để phát dịch vụ di
động đa phƣơng tiện, đài vệ tinh và truyền hình di động. Tại một số nƣớc băng tần S
đƣợc sử dụng cho dịch vụ DTH ( Direct to Home satellite), không giống nhƣ dịch vụ
tại hầu hết các nƣớc là dùng băng tần Ku. Dải tần cho dịch vụ này nằm trong vùng từ
2.5GHz tới 2.7GHz. Các thiết bị mạng không dây tƣơng thích với tiêu chuẩn IEEE
802.11b và 802.11g sử dụng phần 2.4GHz của băng tần S. Lò vi sóng hoạt động từ tần
số 2495 hoặc 2450 MHz. Chuẩn IEEE 802.16a sử dụng dải tần tại 3.5GHz. Tại Bắc
Mỹ, 2.4 đến 2.483Ghz là dải ISM sử dụng các thiết bị không đăng kí dải tần ví dụ nhƣ
tai nghe không dây, bộ gửi video và các thiết bị điện tử gia dụng bao gồm Bluetooth
dải tần từ 2.492GHz tới 2.480 GHz.

Cuộn cảm tích cực và mạch lọc tích cực thể hiện nhiều ƣu điểm so với cách
thiết kế cuộn cảm thụ động truyền thống ( đó là các vòng dây kim loại), nghiên cứu và

tối ƣu cuộn cảm tích cực sẽ mở ra khả năng thay thế cuộn cảm ví nhƣ trong bộ khuếch
đại tạp âm thấp (LNA), bộ tạo dao động, bộ VCO, bộ trộn.

9



CHƢƠNG 1.BỘ LỌC SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÔNG
1.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VIỄN THÔNG
1.1.1 Hệ thống di động 2G/3G/4G
Hệ thống thông tin di động đóng vai trò quan trọng trong thị trƣờng viễn thông
với hàng tỉ ngƣời sử dụng trên toàn thế giới ( 3 tỉ năm 2008 và 4 tỉ năm 2009). Bắt đầu
với thế hệ thông tƣơng tự thứ nhất 1G, tiếp theo là thế hệ số 2G, 3G ngày nay 4G đang
đƣợc triển khai thử nghiệm.
Trong khi hệ thống 2G chỉ tập trung vào việc truyền tín hiệu thoại, hệ thống 3G
truyền cả thoại và dữ liệu với giá thành thấp và dịch vụ internet tốc độ cao thông qua
kết nối di động. Dịch vụ bổ sung chủ yếu cho mạng 3G bao gồm : truyền hình di động
(Mobile TV) , hội nghị từ xa (tele conference) , truyền hình theo yêu cầu (VOD). Cuộc
cách mạng trong công nghệ di động từ pha thứ hai sang pha thứ 3 đƣợc minh họa trên
hình 1.1 trong khi phân bổ tần số.

Bảng 1 Tổng quan về tiêu chuẩn không dây 3G

Với các dải tần số 3G khác nhau ( 8 dải tần số) trên toàn thế giới làm cho việc chế tạo
các thiết bị đầu cuối trở nên khó khăn hơn. Tại Châu Âu, tần số 2100 MHz (W-
CDMA) đƣợc thiết lập với tên gọi dải UMTS, 1920-1980 MHz cho đƣờng lên (up
link) và 2110-2170 MHz cho đƣờng xuống (down link). Kiến thức về phân bổ tần số
này rất quan trọng trong thiết kế bộ thu phát cao tần trong các thiết bị đầu cuối phục
vụ cho 2G, 2.5G và 3G. Do một số lƣợng lớn các bộ lọc SAW đƣợc sử dụng, dẫn đến
nhƣợc điểm là giá thiết bị đầu cuối cao. Hơn nữa yêu cầu về độ triệt ngoài dải là

nghiêm ngặt đối với các tiêu chuẩn không dây khác. Sau đây là ví dụ đáp ứng tần số
của bộ lọc SAW thoản mãn yêu cầu phổ EGSM với dải tần từ 925-960MHz ( tần số
trung tâm 942.5MHz) .
10





Hình 1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW EGSM
Bộ lọc SAW thỏa mãn yêu cầu phổ W-CDMA với dải tần từ 2110-2170 MHz
( f
0
=2140MHz) .

Hình 2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WCDMA
1.1.2 Tiêu chuẩn LAN không dây (WLAN)
Một mạng LAN không dây là hệ thống viễn thông cung cấp dịch vụ truy cập tới
các thiết bị không dây cẩm tay sử dụng sóng vô tuyến bao gồm : máy tính để bàn,
laptop, PDAs, điện thoại di động, camere, máy in Công nghệ WLAN đƣợc qui định
bởi họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 .

11



Bảng 2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11
Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW thỏa mãn phổ tần WLAN ( IEEE 802.11 b/g) với dải
tần 2400-2483.5 MHz ( f
0

=2441.75 MHz)

Hình 3 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WLAN

Hình 4 Đáp ứng tần số bộ lọc SAW, f
0
=5775 MHz
1.1.3 Tiêu chuẩn Bluetooth
Bluetooth là hệ thống viễn thông cho phép giao tiếp giữa các thiết bị trong
khoảng cách ngắn ( nhỏ hơn 10m) làm việc trong dải tần số (2.4-2.4835 GHz) . Thiết
bị thu phát bluetooth làm việc trong môi trƣờng nhiễu .

Bảng 3 Tiêu chuẩn Bluetooth
12



1.1.4 Ứng dụng GPS
Một trong những cột mốc quan trọng trong lịch sử loài ngƣời sau khi thực hiện
hệ thống viễn thông là hệ thống vệ tính định vị toàn cầu (GNSS – Global Navigation
Satellite Systems) cho phép bất kì ngƣời dùng nào có thể biết vị trí của họ trên trái đất
nhờ vào hệ thống vệ tinh. Hệ thống đầu tiên đầy đủ định vị vị trí là hệ thống định vị
toàn cầu của Mỹ (GPS) đƣợc phát triển bởi bộ quốc phòng . Hệ thống thứ 2,
GLONASS, phát triển bởi Xô Viết đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống back up cho GPS
của Mỹ. Cả 2 hệ thống đƣợc phát triển cho mục đích quân sự nhƣng họ vẫn cho phép
truy cập phục vụ mục đích dân sự. Tần số vệ tinh đƣợc chọn trong dải tần từ 1GHz tới
2GHz để lỗi truyền qua tầng ion là nhỏ nhất. Hệ thống GPS làm việc trong dải tần số
L2(1215-1240MHz) và L1(1559-1610 MHz).
1.1.5 Ứng dụng WiMAX
Mục đích của WiMAX dựa trên tiêu chuẩn là cho phép internet di động từ lớp

vật lý sang lớp mạng. Công nghệ này đang trong quá trình thử nghiệm, sử dụng
OFDMA là phƣơng thức đa truy cập và MIMO, cả 2 yếu tố này để tối ƣu hóa mức độ
bao phủ và hiệu suất phổ.

Bảng 4 So sánh WiMAX và các công nghệ khác

1.2 HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN

Anten và mạch phối hợp trở kháng / chọn dải tần số đƣợc dùng chung giữa
nhánh thu và nhánh phát qua công tắc chuyển mạch RF. Hai bộ trộ thực hiện nâng tần
và hạ tần cho tín hiệu phát và thu tƣơng ứng. Bộ tổ hợp tần số đƣa tín hiệu vào mạch
trộn tần, tần số tham chiếu từ bộ dao động thạch anh. Cấu trúc mạch thu phát thấy xuất
hiện 4 bộ lọc : bộ lọc trung tần, bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, 2 bộ lọc thông dải. Bộ lọc
thông dải đi vào bộ khuếch đại công suất loại trừ tạp nhiễu ngoài dải, ngăn chúng làm
bão hòa bộ khuếch đại.

13




Hình 5 Cấu trúc mạch thu phát siêu cao tần
Lọc tín hiệu có thể đƣợc thực hiện bởi kĩ thuật xử lý số DSP ( Digital Signal
Processing) với khả năng dự đoán cao. Tuy nhiên, DSP bị giới hạn bởi tần số nhỏ hơn
500MHz. Nếu tần số trong khoảng 500MHz và 1GHz, kĩ sƣ thiết kế thƣờng cân nhắc
một trong hai kĩ thuật : xử lý tƣơng tự và DSP, dựa theo tiêu chuẩn giá thành và công
suất tiêu thụ. Để thực hiện xử lý số thời gian thực (real time) thì bộ DSP 1GHz cần tốc
độ lấy mẫu và mạch điện hoạt động tại tần số 10-100GHz, và điều này là không thể vì
giới hạn của công nghệ, độ phức tạp của mạch điện, công suất tiêu thụ lớn. Mặt khác
một mạch điện siêu cao tần với thiết kế phù hợp có thể xử lý tín hiệu GHz đảm bảo

công suất thấp và giá thành trung bình.
Ngày nay với sự phát triển mạnh của các thiết bị không dây nhƣ : điện thoại di
động, linh phụ kiện máy tính không dây, thiết bị cầm tay với xu thế ngày càng nhỏ
gọn thì việc tích hợp tất cả các thành phần mạch điện lên một chip điện tử là nhu cầu
thiết yếu và là vấn đề quan tâm của nhiều hãng sản xuất. Hiện nay hầu hết các mạch
điện đã đƣợc chế tạo chung trên đế bán dẫn bao gồm : bộ khuếch đại tạp âm thấp
(LNA), vòng khóa pha (PLL), bộ lọc băng cơ sở ( base band filter) tuy nhiên các bộ
lọc cao tần vẫn chƣa đƣợc tích hợp đầy đủ và phần lớn vẫn sử dụng các linh kiện rời
rạc. Trƣớc hết xem xét công nghệ chế tạo bộ lọc.
Lý do chính mà việc tích hợp các bộ lọc cao tần gặp khó khăn là khó chế tạo đƣợc
cuộn cảm với hệ số chất lƣợng cao trên đế bán dẫn. Với công nghệ CMOS hệ số chất
lƣợng của cuộn cảm thƣờng nhỏ hơn 10. Tổn hao chèn của bộ lọc sử dụng cuộn cảm
tích cự với Q khoảng 20 vẫn khá lớn, để thu đƣợc tổn hao chèn chỉ khoảng vài dB thì
yêu cầu Q cỡ hàng trăm. Hiện tại chỉ các bộ lọc rời rạc có Q lớn nhƣ vậy .

14




Bảng 5 Đặc tính các bộ lọc
Bảng so sánh các bộ lọc rời rạc sử dụng trong các sản phẩm không dây. Với kích
thƣớc khá nhỏ, công suất tiêu thụ thấp , chất lƣợng bộ lọc cao thì bộ lọc SAW đƣợc sử
dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo bộ lọc SAW
không tƣơng thích với công nghệ chế tạo bán dẫn. Bên cạnh đó các bộ lọc nhƣ : bộ lọc
điện môi, bộ lọc LC chất lƣợng khá tốt nhƣng hạn chế là giá thành và kích thƣớc lớn.
Những lợi ích của việc tích hợp bộ lọc : giá thành bộ lọc sẽ giảm bởi vì ít linh kiện
ngoại vi, công suất tiêu thụ thấp hơn, tín hiệu RF không cần đi ra khỏi IC tới bộ lọc
khác trên mạch in PCB. Khi tin hiệu ra ngoài PCB nó cần điều khiển điện dung kí sinh
khá lớn vì thế gây ra tổn hao công suất. Thực hiện bộ lọc đƣợc chia thành 2 loại : mạch

lọc thụ động (passive) mạch lọc tích cực (active). Mạch lọc thụ động sử dụng linh
kiện thụ động nhƣ : cuộn cảm, điện trở trong đó mạch lọc tích cực chỉ sử dụng linh
kiện tích cực : transitor và tụ điện. Thực tế một số mạch lọc thụ động có thêm các
mạch tích cực để nâng cao hệ số phẩm chất thƣờng đƣợc gọi là thiết kế thụ động nâng
cao (Q-enhanced).




15



Hình 6 Mặt trước và sau của điện thoại di động và vị trí của các bộ lọc

Mạch điện tích cực có thể đƣợc sử dụng để thiết kế bộ bộ lọc tại bất kì tần số nào, tuy
nhiên cần đánh giá chất lƣợng sao cho phù hợp. Dƣới tần số 100KHz, bộ lọc thiết kế
tốt nhất sử dụng mạch khuếch đại thuật toán và RC(opamp R-C), với một vài tụ điện
rời. Giữa tần số 100KHz và 100MHz bộ dẫn nạp tụ điện (Gm-C) là phƣơng thức phổ
biến và có thể tích hợp hoàn toàn. Giữa 100MHz và 500Mhz, phƣơng pháp Gm-C vẫn
có thể đƣợc sử dụng nhƣng yêu cầu độ dẫn nạp (Gm) lớn, và tụ kí sinh phải tối thiểu,
dịch pha cũng tối thiểu. Đối với tần số lớn hơn 500MHz, transitor đơn thƣờng đóng
vài trò là các bộ dẫn nạp, đồng thời tối ƣu mạch về kích thƣớc linh kiện, số linh kiện
sao cho tụ điện kí sinh là nhỏ nhất để thu đƣợc hoạt động tần số mong muốn. Cuộn
cảm thƣờng đƣợc dùng trong các thiết kế hoạt động trong dải tần từ 500MHz đến 7-10
GHz. Để hoạt động tần số nhỏ hơn 500Mhz yêu cầu điện cảm quá lớn và khó thực
hiện. Mặt khác tần số cộng hƣởng của cuộn cảm thƣờng từ 6-7 GHz, vì thế nó không
thể sử dụng để thu đƣợc tần số hoạt động lớn hơn. Cuộn cảm thụ động có hệ số chất
lƣợng thấp từ 5 tới 25 và thƣờng thƣờng là 10.
Bô lọc có thể đƣợc thiết kế sử dụng kĩ thuật siêu cao tần, đối với tần số từ 500Mhz tới

hơn 10GHz. Mạch dải thƣờng đƣợc sử dụng và có 2 cách. Mạch dải có chiều dài nào
đó tạo ra một lƣợng dịch pha tại tần số tại tần số tƣơng ứng. Bộ lọc có thể thu đƣợc khi
sử dụng mạch tích cực trong phản hồi hay feed forward. Nói cách khác, việc ngắn
mạch hay hở mạch của mạch dải làm cho mạch có trở kháng vào lạ điện dung hay điện
cảm. Chú ý rằng mạch dải tƣơng đƣơng với tụ điện hoặc cuộn cảm với giá trị nào đó
tại tần số thiết kế. Bởi vậy nó chỉ đƣợc sử dụng để xây dựng bộ lọc hoạt động trong dải
tần số hẹp. Bên ngoài tần số thiết kế , giá trị điện cảm hoặc điện dung không còn tƣơng
đƣơng. Bộ lọc có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các linh kiện rời rạc thụ động
nhƣ SAW. Họ sử dụng một vài tính chất cộng hƣởng cơ khí, sự dịch chuyển qua lại cơ
khí đƣơc chuyển đổi thành tín hiệu điện. Thực hiện bộ lọc và bộ dao động. Linh kiện
này tƣơng đƣờng với mạch cộng hƣởng RLC, và hệ số chất lƣợng cực lớn tới vài
nghìn. Tuy nhiên chúng không thể chế tạo trên đế silicon và đóng gói chung trong IC
vì vậy thiết bị chế tạo ra khá cồng kềnh.

Mạch lọc thụ động hoặc là sử dụng các linh kiện tập trung (lumped elements)
hoặc đƣờng truyền phân tán (distributed transmission lines). Thông thƣờng với mạch
lọc sử dụng các linh kiện tập trung với các ứng dụng nhỏ hơn 1GHz, và các thành phần
kí sinh không là vấn đề nghiêm trọng. Với tần số cao, các thành phần kí sinh trở nên
có ý nghĩa, có thể gây méo đáp ứng tần số.
16




Hình 7 Chuyển hóa các mạch lọc (a) thông thấp (b) thông cao
(c) thông dải (d) chặn dải

Mặt khác thiết kế bộ lọc phân tán (distributed filter design) thích hợp hơn với tần số cao bởi vì
các thành phần kí sinh có thể coi nhƣ là một phần của đƣờng truyền dẫn. Bộ lọc phân tán đƣợc
thiết kế sử dụng phƣơng pháp thay thế linh kiện, ở đó mỗi linh kiện trong thiết kế mẫu đƣợc

thay thế bởi đƣờng truyền dẫn tƣơng đƣơng


1.2.1 Phân loại bộ lọc theo hàm truyền

Bộ lọc có thể phân loại theo đáp ứng của chúng ví du: thông thấp, thông cao, thông dải
và chặn dải. Đặc tính của bộ lọc bao gồm : độ gợn dải thông, độ triệt miền chặn dải, tần số
thông dải, tần số chặn dải. Mỗi loại có thể chia ra thành các loại nhỏ hơn tùy theo hàm truyền
toán học, bao gồm Butterworth, Chebyshev, Bessel, Eliptic. Hàm truyền chủ yếu khác nhau về
độ phẳng của dải thông, độ dốc vùng chuyển tiếp và độ triệt ở vùng chặn dải. Trong phần này
chỉ trình bày khái quát các loại bộ lọc mà không đi sâu vào chi tiết.

17




Hình 8 Đáp ứng các bộ lọc (a) thông thấp b( thông cao (c) thông dải (d) chặn dải

Hình 9 So sánh đáp ứng tần số các loại bộ lọc thông thấp khác nhau

1.2.2 Phân loại bộ lọc theo đặc tính
Các lọai bộ lọc thụ động (Passive Filter)
Bộ lọc LC : Là loại bộ lọc cơ bản nhất đƣợc xây dựng bởi cuộn cảm và tụ điện. Nó có
tổn hao chèn (insertion loss) khá lớn do hệ số chất lƣợng thấp của các linh kiện thụ
động.
Bộ lọc PWB : Bộ lọc tạo bởi các đƣờng mạch in, cấu trúc khá đồ sộ trong dải tần GHz
và không đáp ứng đƣợc yêu cầu trong các ứng dụng không dây. Ƣu điểm là giá thành
thấp.
Bộ lọc SAW ( Surface Acoustic Wave) thƣờng sử dụng trong các ứng dụng siêu cao

tần. Bộ lọc có đặc tính là tổn hao chèn thấp, dải tần dịch chuyển nhỏ, kích thƣớc nhỏ
18



và công suất tiêu thụ trung bình, giá thành hợp lý, nhựng hạn chế là bộ lọc không điều
chỉnh đƣợc và không tích hợp đƣợc vào IC.
Bộ lọc tích cực (Active Filter)
Bộ lọc tích cực cấu thành từ các linh kiện tích cực, có thể tích hợp vào công nghệ IC
tiêu chuẩn và dễ dàng điều chỉnh để đáp ứng các dải tần số khác nhau. Một số loại
cuộn cảm tích cực.
Gm-C là bộ lọc thời gian liên tục thƣờng đƣợc sử dụng trong dải tần số thấp. Trong
dải tần GHz, những bộ lọc này có hạn chế nghiêm trọng là độ tuyến tính và hiệu suất
tạp âm.
Bộ lọc Switched-Capacitor
Bộ lọc Switched capacitor rất phổ biến trong ứng dụng tần số thấp. Cấu trúc này cho
dải động tốt hơn bộ lọc Gm-C. Bộ lọc này là lọc thời gian rời rạc, nó dựa vào việc lấy
mẫu trong dải tần số vì vậy việc chồng phổ có thể là vấn đề cần xem xét.
Bộ lọc LC- nâng cao hệ số chất lƣợng (Q –enhanced LC filters)
Bộ lọc mà có bù tổn hao cho bộ cộng hƣởng LC gọi là bộ lọc LC nâng cao hệ số chất
lƣợng. Loại bộ lọc này có chất lƣợng lọc tốt nhất trong các mô hình mạch lọc tích cực.
Nhiễu và vấn đề tuyến tính vẫn tồn tại trong các loại mạch lọc này. Hơn nữa, mạch
điện nâng cao hệ số chất lƣợng sử dụng phần lớn công suất tiêu thụ.
Bộ lọc DSP (Digital Signal Processing Filter)
Bộ lọc này sử dụng bộ biến đổi A/D để chuyển một tín hiệu tƣơng tự thành tín
hiệu số và sau đó sử dụng bộ xử lý số để thực hiện lọc. Bộ biến đổi D/A cho tín hiệu ra
là tín hiệu tƣơng tự đã đƣợc lọc. Trong dải tần số GHz, bộ lọc DSP cần độ phân dải 20
bit và thời gian tính toán khá dài.
1.2.3 Tham số đặc trƣng của bộ lọc
1.2.3.1 Hệ số tạp ( Noise Figure)

Tín hiệu thu đƣợc tại anten rất yếu nên phải khuếch đại để điều khiển bộ trộn,
để không bị suy hao thì tỉ lệ tín trên tạp của tín hiệu thu phải đƣợc thiết kế sao cho
nhiễu tạo ra là nhỏ nhất đặc biệt là tầng đầu tiên của bộ thu. Hệ số tạp (noise factor) là
chỉ số đo lƣợng nhiễu sau khi tín hiệu truyền qua một hệ thống. Hệ số tạp định nghĩa
bằng tỉ số SNR lối vào chia cho SNR lối ra.
Hệ số
/
/
Si Ni SNRin
F
So No SNRout

Hệ số tạp nhiễu NF=10log(F)
NF(dB)=SNR
in
(dB)-SNR
out(dB)
19




Hình 10 mô phỏng NF
Kết quả mô phỏng hệ số tạp theo tài liệu “noise cancelling technique”. NF xấp xỉ 17dB
và sau khi khử tạp âm cỡ 7dB.
1.2.3.2 Tuyến tính (Linearity)
Nếu hệ thống lý là tuyến tính lý tƣởng thì lối ra
( ) ( )y t ax t
, tuy nhiên đặc tính các
linh kiện tích cực là phi tuyến do vậy mối quan hệ giữa lối vào và lối ra trở thành

23
1 2 3
( ) ( ) ( ) ( ) y t a x t a x t a x t

(1.1)
Hệ số a2,a3, cung cấp thông tin về tính phi tuyết của mạch điện. Khi một tín hiệu hình
sin
( ) cos( )x t A t
đƣa vào hệ thống:
2
22
3 3 3
22
3
( ) ( 1 ) cos( ) os(2 ) os(3 )
2 4 2 4
a A a A
a A a A
y t a A t c t c t
(1.2)

Ta sẽ bỏ qua các bậc cao khi tín hiệu lối vào là nhỏ, tuy nhiên khi tín hiệu lối vào lớn,
thành phần bậc cao tăng nhanh chóng và ảnh hƣởng nhiều tới lối ra. Nếu mạch điện
thực hiện theo kiến trúc vi sai, các thành phần hài bậc lẻ sẽ bị triệt tiêu. Có 2 tham số
quan trọng đƣợc sử dụng để đo độ tuyến tính là điểm nén 1 dB (P1dB- 1dB
compression point) và IP3(third order intermodulation).
1.2.3.3 Điểm nén 1dB ( 1dB compression point)
Điểm nén 1dB đƣợc định nghĩa là biên độ tín hiệu lối vào mà tại đó lối ra thấp hơn
1dB so với đáp ứng lý tƣởng.

20



Hình 11 Điểm nén 1dB

Độ tuyến tính của mạch lọc tích cực với 2 tần số khác nhau

1.2.3.4 Méo nội điều chế bậc 3 ( third order intermodulation distortion)
Một tham số khác để đánh giá độ tuyến tính của mạch điện là méo nội điều chế.
Khi 2 tín hiệu có tần số rất gần nhau
1 1 1
( ) cos( )x t A t
và
2 2 2
( ) cos( )x t A t
nó sẽ tạo ra
một tín hiệu với tần số khác tần số bậc cao của 2 tín hiệu. Tín hiệu lối ra bao gồm
thành phần tần số cơ bản
1
cos( )t
,
2
cos( )t
và các thành phần nội điều chế
12
os(2 )ct
,
12
os( 2 )ct

,
12
os(2 )ct
,
21
os(2 )ct
. 2 thành phần
11
cos( )At

và
22
cos( )At
có thể tạo ra thành phần méo trong dải.

Hình 12 Tín hiệu đi qua mạch điện phi tuyến
21




Hình 13 IIP3
Nói cách khác nếu 2 tần số gần nhau truyền qua một khối phi tuyến thì méo tần số bậc
3 sẽ tạo ra bao gồm tổng và hiệu các tần số:
2f
1
+f
2

2f

2
+f
1

2f
1
-f
2

2f
2
-f
1

Điều này rất bất lợi trong bộ lọc, mà nhiệm vụ chính của bộ lọc là loại bỏ các tín hiệu không
mong muốn. Lƣợng méo nội điều chế tạo ra bởi mạch điện đƣợc đánh giá bởi điểm giao bậc 3.
Đó là điểm mà đƣờng lối ra tuyến tính ngoại suy giao với đƣờng nội điều chế tuyến tính ngoại
suy, nhƣ minh họa hình 13. Thông thƣờng IIP3 đƣợc sử dụng để định lƣợng tín hiệu lớn nhất
có thể làm sai tín hiệu lối vào mạch điện.
3
2
fund IMproduct
in
PP
IIP P

P
in
: Công suất lối vào của 2 tần số
P

fund
: công suất lối ra của một trong hai tần số cơ bản
P
IM_product
là công suất lối ra của méo nội điều chế.
1.2.3.5 Hệ số chất lƣợng
Hệ số chất lƣợng Q là tỉ lệ giữa năng lƣợng tổn hao hoặc mất trong một chu kì
so với năng lƣợng tích lũy bên trong bộ cộng hƣởng. Q đƣợc định nghĩa bởi “
2
os
stored
Q
ls

Stored : năng lƣợng tích lũy
Loss : năng lƣợng tổn hao
22




Hình 14 Bộ cộng hưởng RLC
Điện kháng lối vào của bộ cộng hƣởng điều khiển bởi một nguồn dòng
2 2 2
22
0
30
0
/
()

/ 1/
dB
s C sk sk
Zs
s s RC LC s sBW
ss
Q
(1.3)

Với k là hằng số,
0 1/ LC
và
3
W 1/
dB
B RC
,
0
là tần số cộng hƣởng và
3
W
dB
B
là
độ rộng dải thông. Hệ số chất lƣợng của bộ cộng hƣởng bậc 2 có thể biểu diễn :
0
3dB
W
C
QR

BL
(1.4)

Do vậy Q là tỉ lệ giữa tần số cộng hƣởng và dải thông. Hệ số chất lƣợng cao đồng
nghĩa với dải thông 3dB là nhỏ, cho việc chọn tần số tốt hơn. Từ phƣơng trình trên nếu
tần số cộng hƣởng điều chỉnh bằng cách giảm giá trị tụ điện thì hệ số chất lƣợng giảm
theo. Do vậy khi tần số cộng hƣởng điều chỉnh bở giá trị tụ điện thì hệ số chất lƣợng
cũng thay đổi theo.

Hình 15 Đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng bậc 2
1.2.4 Yêu cầu đối với bộ lọc
Những yêu cầu về bộ lọc để đáp ứng bộ thu phát trong các ứng dụng thực tế
1.2.4.1 Chặn tín hiệu ngoài dải (Out of band blocker rejection)
Anten thƣờng chọn tất cả các tin hiệu cao tần trong không gian,có những tín
hiệu rất mạnh không mong muốn nằm xa dải tần. Bộ lọc RF phải thực hiện việc triệt
tiêu những tín hiệu ngoài dải này.
23




Hình 16 Chọn tín hiệu trong dải tần mong muốn, triệt tín hiệu ngoài dải
1.2.4.2 Loại bỏ những tín hiệu trong dải ( In-band blocker rejection )
Những tín hiệu mạnh không mong muốn trong dải tần số phân bổ gọi là tín hiệu
chặn trong dải (in band blocking signal). Những bộ chặn này không mạnh nhƣ bộ chặn
tín hiệu ngoài dải. Tín hiệu này nằm cạch tín hiệu mong muốn, bởi vậy cần có bộ lọc
RF có “cạnh” rất dốc để chặn tín hiệu trong dải. Bộ lọc nhƣ thế gọi là bộ lọc chọn kênh
(Channel selection filtering).
1.2.4.3 Loại bỏ ảnh (Image Rejection)

Tần số ảnh tạo ra khi tín hiệu đi qua hệ thống phi tuyến, rất khó để khôi phục tín hiệu
mong muốn nếu tần số ảnh lớn hơn tần số tín hiệu. Bởi vậy cần đảm bảo tần số ảnh bị
loại bỏ mọt cách hiệu quả trƣớc hoặc trong khi chuyển đổi.
1.2.4.4 Lọc tạp âm
Trong một số trƣờng hợp cần bộ lọc tạp âm siêu cao tần dải rộng. Một trong những ví
dụ là bộ lọc tạp âm trong dải thu. Khi một tín hiệu mạnh đƣợc phát ở tần số cao của dải
phát nó có thể có tạp âm dải rộng và đủ năng lƣợng để làm suy yếu tín hiệu trong miền
tần số thấp của dải thu.