DSpace at VNU: Thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng tần S dùng công nghệ CMOS và phần mềm Cadence

Thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải tích cực
siêu cao tần băng tần S dùng công nghệ
CMOS và 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 1. “Bộ lọc sử dụng trong viễn thông”: Một số ứng dụng viễn thông
như 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; Hệ thống thu phát cao tần, trong đó
nhấn mạnh vai trò và sự xuất hiện của bộ lọc như bộ lọc thông dải, bộ lọc chống chồng
phổ, bộ lọc triệt ảnh tần số, bộ lọc chọn dải; Sự phát triển của công nghệ bán dẫn
CMOS và các kiến thức liên quan. Chương 2. Trình bày nguyên lý các mô hình mạch
lọc tích cực, các cấu hình cuộn cảm tích cực. Các phương trình tính giá trị cảm, tụ
điện, và điện trở. Cuộn cảm tích cực được mô hình hóa là mạch R,L,C song song. Các
tiêu chuẩn và đặc tính của cuộn cảm tích cực. Chương 3. Trình bày thiết kế mạch lọc
tích cực trên phần mềm cadence. Phương 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.
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 bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng
trong đường 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 như: 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 tương tự, bộ lọc số. Trong lĩnh vực siêu cao tần thường sử dụng bộ

lọc LC, hoặc mạch dải. Các thiết bị thu phát di động cầm tay thường 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 được
thực hiện. Chỉ có duy nhất bộ lọc siêu cao tần chưa được 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 được.


Bộ lọc thông dải tích cực được 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 được để đáp ứng cho các ứng dụng đa
tiêu chuẩn (Multi Standard). Trước khi xuất hiện mạch lọc tích cực thì các loại mạch lọc thụ
động được 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 được với tần số thấp hơn 100MHz), bộ lọc
SAW trong đó bộ lọc SAW được sử dụng nhiều hơn cả trong các thiết bị thu phát bởi: chất
lượng tốt, độ triệt cao tại vùng chặn dải, vùng chuyển tiếp có độ dốc lớn. Mach lọc thông dải
tích cực được nghiên cứu trong luận văn bao gồm 2 bộ truyền dẫn (transconductor) mắc theo
chiều ngược nhau. Với các ứng dụng khác, tụ điện kí sinh là nguy hiểm và góp phần làm giảm
chất lượng của mạch điện. Tuy nhiên với cuộn cảm tích cực sử dụng transitor thì tụ điện kí
sinh trên linh kiện được sử dụng để thay thế tụ cộng hưởng. Lợi dụng tính chất cộng hưởng
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, như vậy mạch điện có tính chất chọn lọc tần số. Vì vậy được sử dụng
như là bộ lọc.
Các phần trình bày trong luận văn bao gồm:
Chương 1. “Bộ lọc sử dụng trong viễn thông”, phần 1.1 trình bày về các ứng dụng viễn
thông như : 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 được 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 như : 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 trưng như hệ số tạp

âm (NF), điểm nén 1dB, và các yêu cầu đối với bộ lọc như 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 được mạch tương tự CMOS cần hiểu về đặc tính I-V, tụ điện kí sinh ..luận văn mô
phỏng sử dụng công nghệ TSMC 0.18um.
Chương 2. Trình bày nguyên lý các mô hình mạch lọc tích cực, các cấu hình cuộn cảm tích
cực. Các phương trình tính giá trị cảm, tụ điện, và điện trở. Cuộn cảm tích cực được mô hình
hóa là mạch R,L,C song song. Các tiêu chuẩn và đặc tính của cuộn cảm tích cực.
Chương 3. Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực trên phần mềm cadence. Phương 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 được 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 được sử dụng bởi Sirius XM Radio. Dải tần số 2.6GHz
còn được sử dụng tại Trung Quốc để phát dịch vụ di động đa phương tiện, đài vệ tinh và
truyền hình di động. Tại một số nước băng tần S được sử dụng cho dịch vụ DTH ( Direct to
Home satellite), không giống như dịch vụ tại hầu hết các nước 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 tương
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 như 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.

2

Cuộn cảm tích cực và mạch lọc tích cực thể hiện nhiều ưu điểm so với cách thiết kế
cuộn cảm thụ động truyền thống ( đó là các vòng dây kim loại), nghiên cứu và tối ưu cuộn
cảm tích cực sẽ mở ra khả năng thay thế cuộn cảm ví như trong bộ khuếch đại tạp âm thấp
(LNA), bộ tạo dao động, bộ VCO, bộ trộn.
References
1. Behzad Razavi (2001), Design of Analog CMOS integrated Circuits, nhà xuất bản Mc
Graw Hill, trang 31-32.
2. Christian Andriesei (2010),Study of active filter topologies for telecommunication
applications, SCS laboratory, Technical University "Gheorghe Asachi" / ETTI, SCS
laboratory ROMANI, trang 24-33.
3. 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.
4. FeiYuan (2008), CMOS Active inductor and transformer principle , implementation,
and application, nhà xuất bản Springer. Tr.21-98,149-167
5. HaiQiao Xiao( 2008), Design of radio frequency filter and oscillator in deep sub
micron technology , Porland State University, trang 67-71
6. 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.
7. Cadence tutorial .

3