THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH TRỘN tín HIỆU TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS 180NM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH
TRỘN TÍN HIỆU TRÊN CÔNG NGHỆ
CMOS 180NM


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................IX
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC......................................................1
1.1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC KHÔNG DÂY..................................1

1.1.1

Hệ thống mạng WPAN........................................................................................1

1.1.2

Hệ thống mạng WLAN........................................................................................2

1.1.3

Hệ thống mạng WMAN.......................................................................................2

1.1.4

Hệ thống mạng WWAN.......................................................................................3

1.2

CÁC KHỐI CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY..................................3

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CMOS...................................................................................6
2.1

CẤU TRÚC MOSFET..................................................................................................6

2.1.1

Sơ lược................................................................................................................6

2.1.2

Cơ bản về MOSFET............................................................................................7

2.1.3

Cấu tạo vật lý MOSFET......................................................................................8

2.1.4

Nguyên lý hoạt động cơ bản của MOSFET........................................................9

2.2

QUY TRÌNH TẠO RA CMOS......................................................................................11

2.3

TỤ ĐIỆN SIÊU CAO TẦN.............................................................................................13

2.4

ĐIỆN TRỞ SIÊU CAO TẦN..........................................................................................14

2.5

CUỘN CẢM SIÊU CAO TẦN........................................................................................14

CHƯƠNG 3. MẠCH TRỘN TẦN SỐ MIXER..............................................................15
3.1

GIỚI THIỆU................................................................................................................15

3.2

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN............................................................................................17

3.3

PORT-TO-PORT FEEDTHROUGH.................................................................................17

3.4

HỆ SỐ NHIỄU DO TẠP ÂM..........................................................................................18

3.5

HOẠT ĐỘNG CỦA MIXER..........................................................................................19

3.6

MẠCH LỌC THÔNG THẤP..........................................................................................21

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MẠCH TRỘN......................................................................23
4.1

SINGLE BALANCE MIXER (SBM).............................................................................23


CHƯƠNG 5. NHẬN XÉT..................................................................................................32
5.1

ƯU ĐIỂM...................................................................................................................32

5.2

KHUYẾT ĐIỂM...........................................................................................................32

5.3

ỨNG DỤNG................................................................................................................32

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................33


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG KHÔNG DÂY...........................................1
HÌNH 1.2: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG THÔNG TIN......................................................3
HÌNH 1.3: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH TRỘN TẦN SỐ CƠ BẢN.........................................4
HÌNH 1.4: CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU CỦA TÍN HIỆU TRUNG GIAN.......................5
HÌNH 2.1: MOSFET CƠ BẢN...........................................................................................7
HÌNH 2.2: CẤU TRÚC CỦA MOSFET KÊNH N............................................................8
HÌNH 2.3: CẤU TRÚC CỦA MOSFET KÊNH P............................................................9
HÌNH 2.4: KÍ HIỆU CỦA MOSFET..................................................................................9
HÌNH 2.5: ĐẶC TUYẾN V/I VÙNG TUYẾN TÍNH CỦA MOSFET.........................10
HÌNH 2.6: ĐẶC TUYẾN V/I VÙNG BÃO HÒA CỦA MOSFET................................10
HÌNH 2.7: QUÁ TRÌNH TẠO CHẤT NỀN VÀ CỰC CỔNG G..................................11
HÌNH 2.8: QUÁ TRÌNH TẠO SOUCE VÀ CÁC ĐIỆN CỰC.....................................12
HÌNH 2.9: METAL-INSULATOR-METAL CAPACITORS........................................13
HÌNH 2.10: METAL-OVER-METAL (MOM) CAPACITORS....................................14
HÌNH 3.1: BỘ THU PHÁT TÍN HIỆU SỬ DỤNG MẠCH TRỘN TẦN SỐ.............15
HÌNH 3.2: MẠCH TRỘN TÍN HIỆU ĐƠN GIẢN.........................................................16
HÌNH 3.3: HỆ THỐNG MÁY THU ĐỔI TẦN...............................................................16
HÌNH 3.4: CƠ CHẾ NẠP TRONG MẠCH TRỘN CMOS...........................................17
HÌNH 3.5: DẠNG SÓNG ĐẦU RA CỦA MỘT MIXER ĐƠN GIẢN.........................18
HÌNH 3.6: HỆ SỐ TẠP ÂM SSB.......................................................................................18
HÌNH 3.7: HỆ SỐ TẠP ÂM DSB......................................................................................19
HÌNH 3.8: CÁC GIAI ĐOẠN CHUYỂN ĐỔI................................................................20
HÌNH 3.9: SINGLE-BALANCED ACTIVE MIXER....................................................20
HÌNH 3.10: MẠCH LỌC BUTTERWORTH.................................................................21
HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ MẠCH SBM TRÊN ADS..................................................................23


HÌNH 4.2: PHỔ NGÕ RA IF VỚI FLO=2.5GHZ, FRF=2.4GHZ....................................23
HÌNH 4.3: NGÕ RA IF TRÊN MIỀN THỜI GIAN (FLO=2.5GHZ, FRF=2.4GHZ)....23
HÌNH 4.4: PHỔ NGÕ RA IF VỚI FLO=2.5GHZ, FRF=2.6GHZ....................................24

HÌNH 4.5: NGÕ RA IF TRÊN MIỀN THỜI GIAN (FLO=2.5GHZ, FRF=2.6GHZ)....24
HÌNH 4.6: PHỔ NGÕ RA IF VỚI FLO=2.5GHZ, FRF=2.49GHZ..................................25
HÌNH 4.7: NGÕ RA IF TRÊN MIỀN THỜI GIAN (FLO=2.5GHZ, FRF=2.49GHZ). .25
HÌNH 4.8: PHỔ NGÕ RA IF VỚI FLO=2.5GHZ, FRF=2.51GHZ..................................26
HÌNH 4.9: NGÕ RA IF TRÊN MIỀN THỜI GIAN (FLO=2.5GHZ, FRF=2.51GHZ). .26
HÌNH 4.10: MẠCH TRỘN TÍN HIỆU ĐƯỢC THIẾT KẾ HOÀN CHỈNH..............27
HÌNH 4.11: PHỔ TÍN HIỆU RF VỚI TẦN SỐ 2.49GHZ.............................................27
HÌNH 4.12: TÍN HIỆU RF TRÊN MIỀN THỜI GIAN.................................................27
HÌNH 4.13: PHỔ TÍN HIỆU LO VỚI TẦN SỐ 2.5GHZ..............................................28
HÌNH 4.14: TÍN HIỆU LO TRÊN MIỀN THỜI GIAN................................................28
HÌNH 4.16: TÍN HIỆU IF TRÊN MIỀN THỜI GIAN CHƯA QUA BỘ LỌC..........29
HÌNH 4.17: PHỔ NGÕ RA IF QUA BỘ LỌC................................................................30
HÌNH 4.18: TÍN HIỆU NGÕ RA IF KHI QUA BỘ LỌC.............................................30
HÌNH 4.19: TÍN HIỆU NGÕ RA IF KHI QUA BỘ LỌC.............................................31


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1.1: THÔNG SỐ CÁC CHUẨN PHỔ BIẾN TRONG MẠNG WLAN.............2
BẢNG 3.1: GIÁ TRỊ TỤ ĐIỆN TÍNH TOÁN ĐƯỢC....................................................22
BẢNG 3.2: GIÁ TRỊ CUỘN CẢM TÍNH TOÁN ĐƯỢC..............................................22
BẢNG 4.1: GIÁ TRỊ ISOLATION VỚI..........................................................................32
BẢNG 4.2: GIÁ TRỊ CHUYỂN ĐỔI ĐỘ LỢI................................................................32


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

WPAN

Wireless Personal Area Network

WLAN

Wireless Local Area Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

WWAN

Wireless Wide Area Network

WiFi

Wireless Fidelity

USB

Universal Serial Bus

RF

Radio Frequency

IF

Intermediate Frequency

LO

Local Oscillator

LNA

Low-Noise Amplifier

PA

Power Amplifier

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

GMS

Global System for Mobile Communications

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

CDMA

Code Division Multiple Access


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/33

CHƯƠNG 1.

HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin liên lạc không dây
Mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay hay nhiều thiết bị
kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn mà không cần những kết
nối bằng dây mạng.
Mạng không dây sử dụng sóng radio hay sóng cực ngắn để duy trì các kênh
truyền thông giữa các thiết bị truyền thông với nhau. Tất cả các giao tiếp thông qua
một hệ thống các thiết bị được thiết lập các kết nối. Thông tin được gửi đi và nhận
lại thông qua đường các kênh đường truyền.

Hình 1.1: Mô hình hệ thống mạng không dây

1.1.1 Hệ thống mạng WPAN
WPAN: mạng vô tuyến cá nhân bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ
nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này phục vụ mục đích
nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng
hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong bao gồm Bluetooth,
Wibree, ZigBee, Wireless USB,... Đa phần các công nghệ này được chuẩn hóa bởi
IEEE.
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/33

1.1.2 Hệ thống mạng WLAN
WLAN: mạng vô tuyến cục bộ bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài trăm
mét. Chủ yếu là công nghệ WiFi với nhiều chuẩn mở rộng khác nhau 802.11
a/b/g/h/i/... Công nghệ WiFi đã phát triển mạnh trong những năm qua. Ngoài ra
công nghệ khác ít được biết đến như HiperLAN và HiperLAN2 được chuẩn hóa bởi
ETSI.

Bảng 1.1: Thông số các chuẩn phổ biến trong mạng WLAN

1.1.3 Hệ thống mạng WMAN
WMAN: mạng vô tuyến đô thị. Vùng phủ sóng tầm vài km (tầm 4-5km tối đa).
Tiêu biểu là hệ thống mạng WiMAX. Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA
802.20.
1.1.4 Hệ thống mạng WWAN
WWAN: mạng vô tuyến diện rộng. Vùng phủ tầm vài km đến tầm chục km. Bao
gồm các công nghệ mạng thông tin di động như UMTS/GSM/CDMA2000/…

1.2 Các khối cơ bản trong
hệ thống thông tin không dây
Source
Transmitter
Source
Encoder
Modulator
Antenna
channel

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu

Source
Decoder

Trên Công
User Nghệ Cmos 180nm

Detector

Receiver
Antenna


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/33

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin

Khối Source: Nơi phát ra tin tức cần được truyền đi

Khối Source Encoder: Thực hiện mã hóa nguồn tin từ tín hiệu tương tự sang tín
hiệu số.
Khối Modulator: Đây là nơi điều chế tín hiệu khối quan trọng trong hệ thống,
khối này bao gồm nhiều quá trình biến đổi thông số tín hiệu để truyền đi xa như
điều chế pha, điều chế biên, điều chế tần số của sóng mang. Biến đổi tín hiệu trung
tần lên cao tần và đặc biệt là trộn tín hiệu với sóng mang để truyền đi xa.
Khối Transmitter Antenna: Sau khi điều chế tín hiệu đạt hiệu quả cao, tín hiệu
được phát đi thông qua hệ thống Ăng-ten.
Khối Channel: Đây chính là kênh truyền của tín hiệu được truyền đi chủ yếu
truyền qua không gian nên ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường.
Khối Receiver Antenna: Hệ thống Ăng-ten thu tín hiệu từ kênh truyền.
Khối Detector: Khối này có nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu mà Ăng-ten thu được
loại bỏ nhiễu đưa tín hiệu điều chế về tín hiệu gốc ban đầu để thu được nguồn tin.
Khối Source Decoder: Thực hiện giãi mã nguồn tin từ tín hiệu số sang tín hiệu
tương tự.
Khối User: Nhận tin tức gốc từ nơi truyền.
Trong mạng không dây việc truyền và nhận tín hiệu và dữ liệu thông qua sóng vô
tuyến nên việc truyền sống trên kênh truyền rất quan trọng. Để truyền và nhận tín
hiệu một cách chính xác việc điều chế và giải điều chế tần số trở nên quan trọng.
Vấn đề được đặt ra là đưa sóng đi xa và phải bảo đảm tần số và công suất đủ để
truyền tải trên đường truyền.
RF
(signal)

Balance
Mixer

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn TínLO
Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm

(carrier)

Low-Pass Filter


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/33

Hình 1.3: Sơ đồ khối mạch trộn tần số cơ bản

Khối RF (signal): Tần số tín hiệu đầu vào cần điều chế hoặc giải điều chế.
Khối LO (carier): Tần số sóng mang trộn với tín hiệu đầu vào mang tín hiệu đi.
Khối Balance Mixer: Khối quan trọng thực hiện việc nhân hai tần số.
Khối Low-Pass Filter: Lọc tín hiệu mong muốn.
Để thực hiện được cần có một mạch trộn tần số đảm bảo tần số được đưa lên
sóng mang và truyền đi. Mạch trộn tần mixer đã được thiết kế nhằm giải quyết vấn
để đưa tần số lên cao để truyền đi hay đưa tần số xuống thấp để thu được tín hiệu
phía nhận.
Tín hiệu cần truyền phải được đưa lên tần số cao và trộn với sóng mang để
truyền tin đi xa hơn đồng thời công suất phải tăng đảm bảo cho việc truyền đi được
hiệu quả nhất. Việc quan trọng là làm sao để trộn tín hiệu tin tức cùng với sóng
mang. Bộ Mixer mang vai trò đảm bảo công việc đó. Việc thực hiện thiết kế mạch
trộn tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu.
Trong sơ đồ bộ mixer thực hiện vai trò trộn tần số, bao gồm tất cả các tần số của
tín hiệu đầu vào mang theo nhiễu và sóng mang và tần số một số sóng hài bậc cao.
Nhờ có bộ lọc tần số điều khiển trung tần được đưa đến đầu ra chính xác như mong
muốn loại bỏ các tần số không mong muốn. Việc quan trọng là sự tuyến tính của bộ
lọc đảm bảo đầu ra luôn ổn đinh với tần số đã điều khiển trước đó.

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/33

Hình 1.4: Chuyển đổi tín hiệu của tín hiệu trung gian

Một tín hiệu của một hệ thống máy phát được truyền tới một hệ thống nhận tín
hiệu nằm xa máy phát, nó phải được chuyển đổi tăng cường, nghĩa là tần số của tín
hiệu được dịch từ tần số riêng của nó đến dải tần số vô tuyến có bước sóng lớn hơn
và có thể di chuyển khoảng cách dài hơn phụ thuộc vào khoảng cách của hệ thống
thu. Đây được gọi là Upconversion.
Tín hiệu Upconversion không thể được trực tiếp sử dụng để lấy các tín hiệu yêu
cầu ở máy thu. Nó phải được dịch sang tần số gốc ban đầu từ phía máy phát hoặc
tín hiệu truyền phải được tái tạo để tiếp tục xử lý. Quá trình này được gọi là
Dowconversion. Trong các hệ thống thông tin, tần số mang tín hiệu được gọi là tần
số sóng mang (Carrier Frequency).
Tần số của tín hiệu đầu ra ở máy phát được gọi là tần số trung gian bởi vì tín hiệu
này không phải là tín hiệu tin tức, nó có thể là tín hiệu được điều chế hoặc một tín
hiệu mã hóa, trong thời gian truyền nó là một tín hiệu trung gian của toàn bộ hệ
thống. Tín hiệu trung gian được nhân với bộ dao động LO của một tần số f LO đây là
tần số sóng mang mang tần số trung gian đến hệ thống thu để thực hiện quá trình
Upconversion.
Tại máy thu, Tín hiệu tần số vô tuyến lại nhân với bản sao chính xác của tín hiệu
dao động cục bộ có cùng tần số để lọc ra cho tín hiệu Trung gian tại máy thu.
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/33

CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS
1.3 Cấu trúc MOSFET
1.1.5 Sơ lược
Công nghệ CMOS là công nghệ dùng để chế tạo mạch tích hợp. Công nghệ
CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng logic
khác. Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như
cảm biến ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp
cao trong lĩnh vực thông tin.
Trong các vi mạch CMOS sử dụng cả hai loại transistor PMOS và NMOS và tại
mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor nằm ở trạng thái đóng (ON).
Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS là có
độ miễn nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp. Các vi mạch
CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể khi các transistor bên trong nó
chuyển đổi giữa các trạng thái đóng (ON) và mở (OFF). Kết quả là các thiết bị
CMOS ít tiêu thụ năng lượng và tạo ra ít nhiệt hơn so với các loại cổng logic khác
như mạch transistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS (khác với
CMOS, NMOS chỉ dùng toàn bộ transistor hiệu ứng trường kiểu n và không dùng
transistor hiệu ứng trường kiểu p). CMOS cũng cho phép tích hợp các hàm lôgic với
mật độ cao trên chíp.
Quy trình này tạo ra các transistor hiệu ứng trường mà mỗi transistor có một điện
cực cổng bằng kim loại được đặt lên trên một lớp cách điện bằng oxide phủ trên vật
liệu bán dẫn. Ngày nay, thay vì dùng kim loại, người ta tạo ra điện cực cổng bằng
một vật liệu khác, đó là polysilicon.
Mạch logic CMOS dùng tổ hợp hai loại transistor hiệu ứng trường kim loạioxide-bán dẫn (MOSFET) kiểu p và kiểu n để thực hiện các cổng logic và các mạch
số khác mà chúng ta thấy trong máy vi tính, thiết bị viễn thông và xử lý tín hiệu.
Trong cổng logic CMOS, một số MOSFET kiểu n được sắp thành dạng mạch kéo

xuống nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấp nguồn điện áp thấp. Thay vì
dùng tải là điện trở như trong các cổng logic NMOS, cổng logic CMOS lại dùng tải
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/33

là một số MOSFET kiểu p sắp thành dạng mạch kéo lên nằm giữa đầu ra của cổng
với đường cung cấp nguồn điện áp cao.
MOSFE gồm hai loại:
 N-MOS: Hoạt động khi nguồn điện cực Gate là zero, các electron bên
trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện
Input.
 P-MOS: Các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện vào
cực Gate.
MOSFT hoạt động ỏ ba chế độ:
 Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn).
 Triode hay vùng tuyến tính.
 Bão hoà.
Mạch trộn tín hiệu trong thiết kế này chỉ sử sụng N-MOS vì tốc độ xử lý
nhanh hơn P-MOS.
1.1.6 Cơ bản về MOSFET
MOSFET là transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn, chỉ các
transistor hiệu ứng trường được sử dụng trong các mạch số và các mạch tương tự.

Hình 2.1: MOSFET cơ bản

MOSFET gồm 3 cực cơ bản:

 Gate: Cực cổng
 Suorce: Cực nguồn
 Drain: Cực máng
Cực cổng Gate là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn
còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic
(Sio2). Hai cực còn lại là cực nguồn (S) và cực máng (D). Cực máng là cực các hạt
mang điện di chuyển đến.

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/33

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D rất lớn, còn
điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp U GS. Khi điện áp UGS = 0 thì
điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 thì hiệu ứng từ trường làm cho điện trở R DS
giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.
MOSFET có ba chế độ hoạt động cơ bản khi VDS >0:
 VGS = 0, JFET hoạt động bảo hòa, ID=Max.
 VGS < 0, JFET hoạt động tuyến tính, ID giảm dần.
 VGS =-Voff, JFET ngưng hoạt động, ID=0.
1.1.7 Cấu tạo vật lý MOSFET

Hình 2.2: Cấu trúc của MOSFET kênh N

Cấu tạo của một MOSFET kênh N cơ bản bao gồm hai điện cực n + được đặt
trong đế nền của lớp p. Cực D và S được kết nối vào điện cực n +. Cực G được kết
nối vào vật liệu bán dẫn p (thường là Silicum) . Lớp Oxide là lớp chuyển tiếp của

hai cực D và S. Poly là lớp cách điện chịu được nhiệt độ cao dùng để đặt cực G để
chống dòng rò từ 2 cực của lớp oxide bán dẫn.
Khoảng cách giữa cực S và D là chiều dài L drawn là khoang cách được tính toán
khi thiêt kế để tối ưu hóa chíp. Trên thực tế khoảng cách này là L eff.
Chất bán dẫn loại P dẫn điện chủ yếu là lỗ trống (mang điện tích dương).
Chất bán dẫn loại N dẫn điện chủ yếu là các electron (mang điện tích âm).

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/33

Hình 2.3: Cấu trúc của MOSFET kênh P

MOSFET kênh P hai cực S và D nằm trên lớp điện cực p + được đặt trong khung
n-well, và vẫn đặt trong đế là chất bán dẫn. N-well là lớp cách chất bán dẫn với điện
cực p vì cùng là lớp p. Cực cổng G vẫn đươc đặt trên poly và môi trường chuyển
tiếp giữa D và S vẫn là oxide kim loại.

Hình 2.4: Kí hiệu của MOSFET

1.1.8 Nguyên lý hoạt động cơ bản của MOSFET
Về cơ bản nguyên lý hoạt động của P-MOS và N-MOS tương đối giống nhau,
chỉ khác nhau về chiều dòng điện.
Ở chế độ khuếch đại, ta phải cấp nguồn U GS để tiếp xúc P-N phân cực ngược.
Nguồn UDS làm cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D
tạo dòng ID trong mạch cực máng.
Đối với N-MOS Điện áp VGS đặt tới cực G và S để phân cực ngược cho tiếp giáp

P-N. Điện áp VDS đặt tới D và S để tạo ra dòng điện chay trong kênh dẫn. Điện áp
phân cực ngược đặt tới G và S làm cho vùng dọc theo tiếp giáp P-N được mở rộng
ra chủ yếu về phía kênh dẫn, điều này làm kênh hẹp lại hơn do đó điện trở kênh dẫn
tăng lên và dòng qua kênh dẫn giảm đi. Với cách phân cực trên thì điện áp phân cực

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/33

giữa G và D lớn hơn điện áp phân cực ngược giữa G và S làm cho vùng hạn chế
electron mở rộng không đều.

Hình 2.5: Đặc tuyến V/I vùng tuyến tính của MOSFET

Khi VDS tăng giá trị ID thay đổi theo VDS = VGS - VTH, tại mỗi vị trí trên đường
parabol được biểu diễn bởi công thức:

Khi đó, VGS - VTH được gọi là điện áp hiệu dụng, nếu VDS ≤ VGS - VTH thì
MOSFET hoạt động ở vùng tuyến tính. Ngược lại V DS ≥ VGS - VTH thì MOSFET
hoạt động ở vùng bão hòa.

Hình 2.6: Đặc tuyến V/I vùng bão hòa của MOSFET

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/33

1.4 Quy trình tạo ra CMOS

Hình 2.7: Quá trình tạo chất nền và cực cổng G

Các vi mạch thường được chế tạo trên một chất nền loại p được pha tạp với
boron. Để cung cấp khả năng tránh khỏi tốt hơn chống lại CMOS latch-up, bề mặt
thường được pha tạp càng cao càng tốt để giảm thiểu điện trở suất nền. Vùng có
oxit dày được xác định bên ngoài các khu vực hoạt động để tăng điện áp ngưỡng
trong các khu vực này và giảm điện dung ký sinh. Pad oxide cung cấp khả năng
ngăn chặn tuân thủ cơ học được tạo ra bởi sự tăng trưởng nitrit do làm hỏng silicon
cơ bản. Quá trình oxy hóa cục bộ của silicon hoặc kỹ thuật cô lập rãnh nông (STI)
phát triển ôxit dày trong lớp đế nền trong vùng được xác định.
STI được chấp nhận rộng rãi như là một cách tiếp cận hiệu quả. STI bao gồm
trench-etch, lắng đọng hơi hóa học (CVD), và tuyến tính hóa bằng cách sử dụng
phương pháp đánh bóng cơ học hóa học (CMP).
Quá trình oxy hóa bên trong được sử dụng để thu hồi tinh thể của chất nền silic
sau khi khắc rãnh STI. Quá trình oxy hóa Sidewall loại bỏ các thành phần gây tạp
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/33

trong suốt quá trình rãnh, cạnh hoạt động làm cho hạn chế của các điênh áp kí sinh,
và giảm các điểm tiếp xúc để giảm rò rỉ.
Công nghệ CMOS tiên tiến, cả n-well và p-well đã được sử dụng để tối ưu hóa

các đặc tính thiết bị của cả nFET và pFET. Do sự tồn tại của nhiều bước doping
khác nhau trong chế tạo, cần phải điều chỉnh ngưỡng để di chuyển điện áp ngưỡng
tới các mục tiêu mong muốn.
Hai cấy ghép riêng biệt được sử dụng để điều chỉnh điện áp ngưỡng (V) trong
nFETs và pFET độc lập. Sau khi sự lắng đọng lớp poly, việc cấy ghép dummy
adjust sẽ tạo ra oxit cổng giả để loại bỏ silicon trần ở các khu vực hoạt động.
Oxit cổng G thực sẽ được hình thành bằng cách sử dụng oxy ở nhiệt độ cao để
đảm bảo chất lượng của Si-SiO2.

Hình 2.8: Quá trình tạo Souce và các điện cực

Cấy ghép cực S và cực D là một bước xử lý quan trọng khác xác định hiệu suất
điện của thiết bị. Quá trình ủ được tuân theo sau khi cấy để kích hoạt các dopants.
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/33

Các cổng Polysilicon hoàn thành trong các bước quy trình trước được sử dụng làm
mặt nạ để tự sắp xếp các bộ cấy Source/Drain cho cả hai nFETs và pFETs. Tự sắp
xếp giảm thiểu khả năng chồng chéo giữa cổng và Suorce/Drain. Lớp oxit dày được
lắng đọng như một vật liệu cách nhiệt giữa các thiết bị hoạt động và các kết nối
bằng metal.
1.5 Tụ điện siêu cao tần
Thường sử dụng 2 loại: metal-insulator-metal (MIM) Capacitors, Metal-overMetal (MOM) Capacitors.
Vertical-MIM (V-MIM) có lợi thế là kim loại mà không có bất kỳ poly-depletion
và poly-gate gây hao mòn. Nếu được thực hiện ở lớp kim loại cuối cùng, nó có toàn
bộ ngăn xếp ILD-Interlayer Dielectric Deposition giữa chúng và đế, do đó điện

dung ký sinh nhỏ hơn nhiều. Độ tuyến tính tuyệt vời với điện áp và nhiệt độ minh
họa mức độ phổ biến của thiết bị như một phần tử tương tự. Hạn chế của thiết bị VMIM là dung lượng nhỏ trên một đơn vị diện tích do độ dày của chất cách điện.
MIM bên cạnh giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng điện dung bên giữa các
đường kim loại chứ không phải là điện dung dọc giữa các lớp ILD khác nhau. Các
F-MIM không cần thêm bất kỳ mặt nạ nào. Tính chất khớp của F-MIM là thấp hơn
so với tụ điện V-MIM, vì vậy các tụ điện F-MIM này có thể không phù hợp với một
số ứng dụng tương tự yêu cầu chính xác.

Hình 2.9: Metal-Insulator-Metal Capacitors

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/33

Hình 2.10: Metal-over-Metal (MOM) Capacitors

1.6 Điện trở siêu cao tần
Các loại điện trở khác nhau trong một quá trình CMOS: điện trở polysilicon,
điện trở n và p khuếch tán, điện trở n-well, điện trở kim loại màng mỏng.
1.7 Cuộn cảm siêu cao tần
Sử dụng cho mạch tần số cao được sử dụng trong băng tần số cao từ 10 MHz đến
vài GHz. Yêu cầu giá trị Q-hệ số phẩm chất, hầu hết đều có cấu trúc lõi không từ
tính và được sử dụng chủ yếu trong các mạch tần số cao của thiết bị liên lạc di
động, như điện thoại di động, mạng LAN không dây và các thiết bị khác. Trong
công nghệ on chip giá trị Q nhỏ.

CHƯƠNG 2. MẠCH TRỘN TẦN

SỐ MIXER

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/33

1.8 Giới thiệu
Mixer là một thiết bị chuyển đổi tần số, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa các
tần số khác nhau. Trong các hệ thống thông tin, tại phía thu, nhờ mixer tần số RF
được chuyển xuống tần số IF thấp hơn cho phép tăng tính chọn lọc (bộ lọc) và thiết
kế các bộ khuếch đại dễ dàng hơn.
Mạch trộn tần số thực hiện dịch tần số bằng cách nhân hai dạng sóng (và có thể
là sóng hài) bao gồm ba cổng khác biệt rõ rệt.

Hình 3.1: Bộ thu phát tín hiệu sử dụng mạch trộn tần số

Mạch trộn tín hiệu đơn giản có cổng LO xem như một công tác điều khiển điện
áp giữa hai đầu thu và phát điện áp tín hiệu V IF = VRF hoặc VIF = 0. Nhưng vấn đề
quan trọng được đặt ra là sự tuyến tính của mạch trộn. Với sự chuyển đổi khóa đầu
vào RF được nhân lên nhiều lần. Khi mạch trộn với đầu vào là RF với tất cả sóng
hài LO tạo ra thì cổng LO phi tuyến. Vì thế cổng RF cần phải tuyến tính để đáp ứng
yêu cầu điều chế và giả điều chế tần số.
Trong một môi trường thu phát chung mạch trộn được sử dụng. Trong đường
tiếp nhận, bộ trộn thu tín hiệu cảm nhận tín hiệu RF tại "cổng RF" và dạng sóng dao
động cục bộ tại cổng "LO". Đầu ra được gọi là "cổng IF" được xem như RX
heterodyne hoặc baseband port chuyển đổi trực tiếp. Tương tự, trong đường truyền
lên đầu vào mạch trộn tần số chuyển đổi độ nhạy IF hoặc tín hiệu baseband được

gọi là cổng IF hoặc cổng baseband, và cổng đầu ra được gọi là cổng RF. Đầu vào
điều khiển bởi LO.

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/33

Hình 3.2: Mạch trộn tín hiệu đơn giản

Đặc tính phi tuyến của một thiết bị mixer là cơ sở để thực hiện chức năng trộn
tần. Những thiết bị này bao gồm FET, diode và các BJT. Mixer thường được dùng
để nhân các tín hiệu ở các tần số khác nhau để thực hiện chuyển đổi tần số. Lí do
thực hiện chuyển đổi tần số là do nếu thực hiện lọc trực tiếp với tần số trung tâm ở
tần số cao tần thì sẽ đòi hỏi các bộ lọc có hệ số phẩm chất rất cao và rất khó thực
hiện trong thực tế. Điều này sẽ được giải quyết nếu tần số sóng mang RF được đổi
tần xuống trong một hệ thống thông tin. Hệ thống thường gặp đó là các máy thu đổi
tần hetorodyne.

Hình 3.3: Hệ thống máy thu đổi tần

Tín hiệu RF sau khi được đưa qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, đưa vào
mixer như là thành phần tín hiệu đầu vào, nó sẽ được nhân với tín hiệu có tần số f LO
từ bộ tạo dao động nội. Tín hiệu thu được sau mixer chứa các thành phần tần số f RF
±f

LO

sau khi qua lọc thông thấp đượcthành phần f

tần số trung tần (IF).
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm

RF

– f LO được gọi là thành phần


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/33

Hai thành phần chính cấu tạo nên mixer là bộ kết hợp và bộ phát hiện. Bộ kết
hợp sử dụng các bộ ghép nối định hướng. Bộ phát hiện thường sử dụng một diode
như một thiết bị phi tuyến. Bên cạnh diode, các phần tử phi tuyến khác như BJT,
FET với hệ số tạp âm thấp và độ khuếch đại chuyển đổi cao cũng được sử dụng.
1.9 Các thông số cơ bản
Mạch trộn tần số phải đảm bảo được nhiễu phải nhỏ hơn 8dB, khi thiết kế phải
đảm bảo cho LNA có độ lợi từ 10dB đến 15dB nhằm tăng tối đa tính tuyến tính.
Mixer phải cung cấp đủ độ lợi để giảm thiểu nhiễu tối đa có thể qua các giai đoạn
chuyển đổi tần số từ tần số thấp lên tần số cao và ngược lại. Tuy nhiên, điện áp cung
cấp thấp làm cho khó đạt được độ lợi hơn 10 dB trong khi giữ lại tuyến tính. Do đó,
việc giảm nhiễu các giai đoạn sau mạch trộn rất quan trọng.
Độ lợi của mixer phải được xác định chính xác để tránh nhầm lẫn. Độ lợi chuyển
đổi điện áp của downconversion mixer được cho bởi tỷ lệ của điện áp hiệu dụng của
tín hiệu IF đến điện áp hiệu dụng của tín hiệu RF. Hai tín hiệu này được tập trung
quanh hai tần số khác nhau. Sự tăng chuyển đổi điện áp có thể được đo bằng cách
áp dụng một đường cong dạng sóng sin tại ωRF và tìm ra biên độ của thành phần

downconverted tại ωIF. Đối với các upconversion mixer,độ lợi điện áp chuyển đổi
được xác định theo cách tương tự nhưng từ baseband hoặc cổng IF đến cổng RF.
1.10

Port-to-Port Feedthrough

Hình 3.4: Cơ chế nạp trong mạch trộn CMOS

Khi có điện dung trong mach trộn, sẽ sinh ra feedthrough từ một cổng khác. Hay
có thể nói tín hiệu từ RF, IF và LO đều chuyền cho hai chiều cho nhau. Nếu mạch
trộn được mắc nối

bởi một MOSFET cổng nguồn và cổng điên dung tạo

Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/33

feedthrough từ cổng LO đến RF và cổng IF. Ảnh hưởng

trong port-to-port

feedthrough của mạch trộn vào hiệu suất phụ thuộc vào kiến trúc của mạch.

Hình 3.5: Dạng sóng đầu ra của một mixer đơn giản

Khi cung cấp một dạng sóng tín hiệ cho đầu vào RF và dạng sóng từ LO thu

được dang sóng IF đầu ra là dạng trung bình của hai dạng sóng đầu vào. V LO như
một khóa, khi VLo đóng dạng sóng tín hiệu đầu vào được phân mảnh ki kết hợp với
dạng sóng LO tạo ra một giá trị trung bình tại đầu ra VIF.
Như vậy các RF-LO và RF-IF feedthroughs làm hỏng quang phổ LO đồng thời
làm hỏng tín hiệu baseband bởi các thứ tự đường đi của tín hiệu RF.
1.11 Hệ số nhiễu do tạp âm
Hệ số tạp âm của mạch trộn downconversion thường là một nguồn gây nhiễu. Để
đơn giản hơn.

Hình 3.6: Hệ số tạp âm SSB

Như trong hình, quang phổ cảm ứng bởi cổng RF bao gồm một thành phần tín
hiệu và tạp âm nhiệt của RS trong dải tín hiệu và dải hình ảnh. Trên mạch trộn
downconversion, tín hiệu và tạp âm trong dải tín hiệu, và tạp âm trong dải hình ảnh
được chuyển thành ωIF. Vì vậy, SNR đầu ra là một nửa SNR đầu vào nếu hai thành
Thiết Kế Và Mô Phỏng Mạch Trộn Tín Hiệu
Trên Công Nghệ Cmos 180nm