Thiết kế bộ khuếch đại công suất cao tần hiệu suất cao trên công nghệ CMOS 65nm cho các ứng dụng IoT tốc độ cao

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Thi∏t k∏ bỴ khuch Đi cụng suòt cao tản hiêu suòt
cao trờn cụng nghê CMOS 65nm cho cỏc ng dng
IoT tậc ẻ cao
Trản

c MĐnh , Bựi Duy Hiu , Trản Th Thỳy Qunh , Lê V´n Thanh VÙ‡ , Tr¶n Xuân Tú†
† SISLAB, Trèng Đi hc Cụng nghê, Đi hc Quậc Gia H Nẻi
144 Xuõn Thy, Cảu Giòy, H Nẻi
Trèng Đi hc Khoa hc, Đi hc Hu ()
77 Nguyn Huê, Thnh phậ Hu
E-mail liờn hê:
suòt (PA - Power Amplifier) cú ẻ tuyn tớnh cao truyn
tớn hiêu ton vàn [2]. Tuy nhiờn, PA tuyn tớnh thèng cú hiêu
suòt thòp hẽn cỏc loĐi khỏc nờn tiờu th nhiu iên nng hẽn.
Thit k cỏc PA tuyn tớnh vểi hiêu quÊ cao l ròt quan trÂng
Ëi vĨi các thi∏t b‡ di Ỵng và IoT (Internet of Thing) s dng
chuân Wi-Fi 6.
Gản õy, cỏc nh thit k cú xu hểng phỏt trin cỏc
bẻ khuch Đi dáa trờn cụng nghê CMOS (Complementary
MetalOxideSemiconductor) d dng tớch hỊp vào chip,
t¯ ó ˜a Wi-Fi 6 vào các thi∏t b IoT v di ẻng. Cụng nghê
ny cú chi phớ thòp v mt ẻ tớch hềp cao, ròt hiêu quÊ khi
tích hỊp khËi thu phát cao t¶n vĨi các khËi x˚ l˛ tín hiªu b´ng
c s (PHY - Physical) và khậi liờn kt d liêu (MAC) thnh
mẻt hê thậng trờn chip (SoC - System on Chip) [3]. Tuy nhiên,
nh˜Òc i∫m ca cụng nghê CMOS l d mòt mỏt nng lềng
v iên ỏp ngun nuụi thòp khin viêc thit k bẻ khuch Đi
tuyn tớnh vểi hiêu suòt cao trờn cụng nghê ny vđn cũn nhiu
thỏch thc.

Theo cỏc nghiờn cu gản õy, bẻ khuch Đi CMOS ang
ềc thit k theo cỏc hểng tích hỊp b´ng t¶n kép (2,4 GHz
và 5 GHz), nâng cao ẻ tuyn tớnh v tng hiêu suòt s dng
nng lềng. Cỏc bẻ khuch Đi cụng suòt [4] v [5] ềc thit
k hoĐt ẻng bng tản kộp. Cỏc cơng trình này ∑ xt
cßu trúc phËi hỊp tr kháng vểi lậi ra cú th còu hỡnh lĐi theo
mong muận, nhăm mc ớch ỏp ng hai bng tản trờn mẻt
èng truyn súng duy nhòt v chim diên tớch thác thi phản
cng nh hẽn so vểi viêc s dng hai bẻ khuch Đi ẽn tản.
thác hiên ềc iu ú, nhng thit k ny s dng nhiu
linh kiên th ẻng còu hỡnh mĐch bin i tr khỏng lậi ra,
vỡ vy hiêu suòt nng lềng khụng cao. Thit k trong cụng
trỡnh [6] v [7] l cỏc bẻ khuch Đi khÊ trỡnh vểi nhiu ch
ẻ cÊi thiên hiêu suòt ca bẻ khu∏ch §i tuy∏n tính. Tuy
nhiên, nh˙ng thi∏t k∏ này khá phc tĐp v suy hao chốn ca
linh kiên lển; vỡ vy, hiêu suòt tc thèi ch ẻ tật nhòt chø
§t kho£ng 25%.
Tr˜Ĩc ây, nhi∑u nghiên c˘u ã thi∏t k∏ bẻ khuch Đi cú
ẻ tuyn tớnh cao, hiêu suòt tật trong khi vđn cú diên tớch thác
thi phản cng nh. Thi∏t k∏ [8] ã s˚ dˆng bỴ chuy∫n Íi tr
kháng hiêu suòt cao phậi hềp tr khỏng, hiêu suòt t˘c thÌi

Tóm t≠t—Tiêu chu©n Wi-Fi 6 là tiêu chu©n Wi-Fi th∏ hª mĨi
˜Ịc phát tri∫n ∫ hÈ trỊ cho các ng dng IoT tậc ẻ cao nh
thác t Êo, hê thậng iu khin cụng nghiêp v camera quan
sỏt chòt lềng cao. Đt ềc tậc ẻ cao, Wi-Fi 6 s dˆng
kˇ thu™t i∑u ch∏ QAM nhi∑u i∫m và a truy cp phõn chia
theo tản sậ trác giao (OFDMA). Viêc s dng tớn hiêu cú biờn
ẻ thay i v a tản sậ ũi hi bẻ khuch Đi cụng suòt phÊi
tuyn tớnh nhng dđn n hiêu suòt thòp. Trong nghiờn cu ny,

chỳng tụi xuòt mẻt thit k khuch Đi cụng suòt tuyn tớnh cú
hiêu suòt cao dáa trờn cụng nghê TSMC (Taiwan Semiconductor
Manufacturing Company) 65nm tĐi tản sậ 2,4 GHz cho các ˘ng
dˆng IoT s˚ dˆng chu©n Wi-Fi 6. Thi∏t k∏ ˜Ịc ∑ xt s˚ dˆng
transistor Deep-NWell ã ˜Ịc tùy chønh cùng vĨi m§ch phËi
hỊp tr kháng ˜Ịc tËi ˜u hóa Đt ềc hiêu suòt s dng
nng lềng lển v diên tớch phản cng nh. Kt quÊ mụ phng
cho thòy bẻ khuch Đi cụng suòt ny hoĐt ẻng ch Ỵ tuy∏n
tính (ch∏ Ỵ A) vĨi cơng st lËi ra 21,8 dBm, hiêu suòt 45%.
T khúaWi-Fi 6, RFIC, khuch Đi cụng suòt tuyn tớnh.

I. GII THIừU
Wi-Fi 6 l tiờu chuân Wi-Fi th∏ hª ti∏p theo hay cịn ˜Ịc
bi∏t ∏n là tiờu chuân IEEE 802.11ax trong bẻ giao thc
WLAN. Tiờu chuân ny qui nh thác hiên a truy cp phõn
chia theo tản sậ trác giao OFDMA (Orthogonal Frequency
Devision Multiple Access) cho các kênh ˜Ìng lên và kênh
˜Ìng xng giúp cho viªc truyn d liêu hiêu quÊ v linh
hoĐt hẽn cỏc th hê trểc. OFDMA cho kờnh èng lờn l
mẻt tớnh nng mĨi rßt quan trÂng cıa Wi-Fi 6 vì nó cho phộp
cỏc thit b trong mĐng truyn d liêu vểi tậc ẻ cao hẽn. c
biêt, OFDMA phõn chia cỏc kờnh tản sË và thÌi gian thành
các khËi tài ngun hiªu qu£ hÏn, có th∫ ˜Ịc s˚ dˆng ∫
truy∑n d˙ liªu cùng lúc bi nhi∑u thi∏t b‡ hÏn. Do ó, các bỴ
‡nh tuy∏n Wi-Fi 6 có th∫ phˆc vˆ Áng thÌi nhi∑u thit b
IoT vểi tậc ẻ d liêu khỏc nhau, phự hềp vểi khụng gian cú
iu kiên phc tĐp v nhiu thi∏t b‡ k∏t nËi vào m§ng khơng
dây nh˜ t§i gia ỡnh hoc vn phũng. [1].
iu ch OFDM cung còp hiêu suòt cao cho cỏc thit b
trong mĐng Wi-Fi 6. Nú s˚ dˆng i∑u ch∏ 1024QAM và sóng

mang con tr¸c giao truyn tớn hiêu; do ú, t lê cụng suòt
ứnh trên cơng st trung bình (PAPR - Peak to Average Power
Ratio) ròt cao. Kờnh truyn OFDM yờu cảu bẻ khuch §i công

ISBN: 978-604-80-5076-4

86


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)
cıa viªc chuy∫n i iên nng thnh súng iên t ca tảng
khuch Đi cụng suòt Đt 52%. Thit k [3] s dng k thu™t
theo dõi ˜Ìng biên cıa tín hiªu ∫ t´ng hiªu suòt cho ton dÊi
cụng suòt ca PA, hiêu suòt trung bình tồn d£i lên ∏n 28%.
Tuy nhiên, các bỴ khu∏ch §i này t§o ra cơng st rßt cao ∫
áp ˘ng yờu cảu ca kờnh èng xuậng theo chuân 802.11n;
do ú, chỳng cản mc tiờu th iên nng cao v khụng phù
hỊp vĨi các ˘ng dˆng IoT.
Bài báo này trình bày mẻt thit k bẻ khuch Đi cụng suòt
vểi diên tớch thác thi phản cng nh, ẻ tuyn tớnh cao, hiêu
suòt n´ng l˜Ịng tËt và phù hỊp vĨi các ˘ng dˆng IoT v di
ẻng tĐi bng tản 2,4 GHz. Bẻ khuch §i s˚ dˆng transistor
Deep N-Well, có dịng rị thßp, ˜Ịc tinh chønh l§i cùng vĨi
m§ch phËi hỊp tr kháng ˜Ịc tậi u húa Đt ềc yờu cảu
ra. Qua cỏc mụ phng ó thác hiên, bẻ khuch Đi xuòt
cú cụng suòt lậi ra 21,8 dBm v hiêu suòt 45% trong vựng
hoĐt ẻng tuyn tớnh.
Nẻi dung ca bi bỏo ˜Ịc chia thành ba ph¶n chính. Trong
ó, ph¶n II trình by v còu trỳc v c trng ca bẻ khuch
Đi xuòt. Phản III a ra cỏc kt quÊ mụ phng. Cuậi cựng

l mẻt sậ kt lun tĐi phản IV.
II. TH‹C THI MĐCH IõN

Hình 2. Thi∏t k∏ transistor.
(a) LĨp NW bao bÂc xung quanh transistor.
(b) K∏t nËi trung hịa iªn áp cho lĨp NW và DNW.
(c) Vịng b£o vª (guard-ring) v thiờn ỏp cho các B.
(d) Lểp chòt nn PW cıa transistor.
(e) Các chân k∏t nËi vĨi c¸c D và G.

Hỡnh 1. Sẽ khậi khuch Đi cao tản bờn phỏt.

nuụi l 3,3 V. Vểi còu hỡnh ny, transistor hoĐt Ỵng  iªn
áp hiªu n´ng cao và có kích th˜Ĩc lển hẽn, cèng ẻ dũng
iên tĐi ứnh lờn n 400 mA chĐy qua cỏc kờnh dđn. Do ú,
transistor cản ềc cỏch ly vểi chòt nn P-sub trỏnh hiên
tềng dũng rị và suy hao cơng st. Hình 2 là thi∏t k ca
transistor trong bẻ khuch Đi cụng suòt sau khi thác hiên mẻt
sậ tựy chứnh.
Nhăm mc ớch nõng cao hiêu nng khuch Đi cụng suòt,
kờnh dđn ca transistor ềc thit k∏ óng kín và cách ly
vĨi chßt n∑n trên ỉa bỏn dđn CMOS. Thit k ny s dng
transistor loĐi N v tựy chứnh nú hoĐt ẻng mc cụng
suòt cao. Transistor s˚ dˆng lĨp oxit kim lo§i dày và chiu
di kờnh 500 nm hoĐt ẻng vểi iên ỏp cao hÏn (3,3 V).
Deep N-Well (DNW) là lÓp phı bên d˜Ĩi bóng bán d®n ˜Ịc
s˚ dˆng ∫ cách ly gi˙a transistor và chßt n∑n. LĨp N-Well
(NW) (Hình 2(a)) bao bÂc xung quanh transistor ˜Ịc k∏t nËi
vĨi DNW và th∏ n∑n ∫ lĨp cách ly có iªn tích trung hịa.
Bên trong vịng NW, lĨp bán d®n P-Well (PW) ˜Ịc k∏t nËi

bi mẻt vũng bÊo vê (guard-ring) thiờn ỏp cho các B. Vũng
bÊo vê cng giỳp cho viêc còu hỡnh transistor không làm £nh
h˜ng ∏n lu™t thi∏t k∏.
Trong thi∏t k∏ này, transistor cụng suòt cản phÊi tinh chứnh
hềp l Đt ˜Ịc hiªu qu£ mong mn cÙng nh˜ £m b£o

Hình 1 biu din sẽ ca khậi khuch Đi cao tản thụng
thèng. Sẽ bao gm: bẻ khuch Đi cụng suòt (PA) cung
còp cụng suòt cao cho tớn hiêu trểc khi a ra ng-ten, bẻ
khuch Đi êm (DA - Driven Amplifier) cung còp nng lềng
lậi vo cho PA tng hê sậ khuch Đi hê thậng, v cỏc mĐch
bin i tr khỏng gia cỏc tảng. MĐch phậi hềp tr khỏng
ềc chn vì suy hao chèn cıa ph˜Ïng pháp này nh‰ hÏn mẻt
sậ mĐch bin i tr khỏng khỏc, giỳp lm tng hiêu suòt nng
lềng ca hê thậng.
Bi bỏo tp trung vo viêc thit k bẻ khuch Đi cụng suòt
ẽn dáa trờn RFIC (Radio Frequency Intergrated Circuit) do
thi∏t k∏ này có cßu trỳc ẽn giÊn, giÊm ẻ phc tĐp ca mĐch,
trong khi vđn Đt ềc cỏc yờu cảu k thut cản thit. Tuy
nhiên, trong tr˜Ìng hỊp cơng st lĨn, các thi∏t k∏ bẻ khuch
Đi ẽn cản ềc quan tõm tểi khÊ nng chu tÊi do ton bẻ
cụng suòt khuch Đi ca mĐch chứ i qua mẻt kờnh dđn.
A. Còu hỡnh transistor
ỏp ng yờu cảu cụng suòt tớn hiêu vụ tuyn ca các thi∏t
b‡ IoT, transistor ˜Ịc cßu hình vĨi 80 kênh dđn song song
vểi chiu rẻng v chiu di mẩi kờnh l¶n l˜Ịt là , = 0, 8 <<
và ! = 500 =<. Transistor ny hoĐt ẻng dểi iên ỏp ngun

ISBN: 978-604-80-5076-4

87


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)
khơng vi ph§m các lu™t thi∏t k∏. Th™t v™y, các transistor có
diªn tích q lĨn s≥ gây khó kh´n khi trung hịa iªn tớch lểp
bỏn dđn (PW-Hỡnh 2(d)). Do ú, cản thit k mẻt vũng bÊo vê
iên ỏp (guard-ring, Hỡnh 2(c)) xung quanh transistor và k∏t
nËi nó vĨi lĨp PW ∫ £m b£o các B cú iên ỏp gản băng
khụng. Tẽng tá, mẻt vịng b£o vª (Hình 2(b)) cÙng ˜Ịc
thi∏t k∏ ∫ trung hịa iªn áp cho lĨp cách ly NW và DNW
(Hình 2(a)), Êm bÊo răng chỳng cú c im tẽng tá chòt
cỏch iên. Ngoi ra, trỏnh iên dung k sinh tĐi lậi vo
(các G) v lậi ra (các D) cıa transistor, các k∏t nËi (Hình 2(e))
ã ˜Ịc thi∏t k∏ m‰ng i nh˜ng khơng làm t´ng giá tr‡ iªn
tr.

nh˜ hª sậ khuch Đi (Gain), cụng suòt lậi ra (%>DC ) v hiêu
suòt. Trong thit k ny, hai c trng v cụng suòt lậi ra v
hê sậ khuch Đi ềc a ra cân nh≠c khi mơ ph‰ng. Hình 3
trình bày k∏t quÊ ca mụ phng load-pull ó thác hiên, trong
ú, èng Áng m˘c cơng st là các ˜Ìng nét li∑n và èng
ng mc hê sậ khuch Đi l cỏc èng nột ˘t. D¸a trên k∏t
qu£ cıa mơ ph‰ng load-pull, tr kháng tËi ˜u / > ?C ˜Òc chÂn
là 21 ⌦ ∫ bẻ khuch Đi cú hê sậ khuch Đi 9 dB, §t cơng
st lËi ra 22,3 dBm t§i i∫m nén %13⌫ v hiêu suòt tậi a
l 48% ậi vểi cỏc mụ phng trờn sẽ mĐch iên l tng.
MĐch phậi hềp tr khỏng s dng cỏc thnh phản th ẻng
bin i tr khỏng lậi ra ca bẻ khuch Đi thnh tr kháng
lËi vào cıa ´ng ten (50 ⌦). Cn c£m trờn cụng nghê CMOS

l mẻt thnh phản th ẻng cú chòt lềng thòp vỡ nú chim
diên tớch ròt lển trong mĐch v suy hao chốn ca linh kiên
ny l ròt ỏng k. Hê sậ phâm chòt (& factor ) v Ỵ t¸ c£m (L)
là hai tham sË chính cıa cn cÊm. Hê sậ & factor cng lển v
ẻ tá cÊm L càng nh‰ thì suy hao chèn càng nh‰. ∫ giÊm
suy hao chốn v diên tớch thác thi phản cng, m§ch phËi hỊp
tr kháng ph£i gi£m sË l˜Ịng và giá tr ca cuẻn cÊm. Trong
thit k ny, mĐch phậi hềp tr khỏng lậi ra gm hai thnh
phản th ẻng l mẻt t iên (2 =2 pF) v mẻt cuẻn cÊm (! 1
= 1,45 nH, & factor = 16). Qua mô phng vểi sẽ mĐch iên,
cụng suòt lậi ra tĐi i∫m %13⌫ là 21,8 dBm.

B. M§ch phËi hỊp tr kháng

Hình 3. K∏t qu£ mơ ph‰ng load-pull.

Trong thi∏t k∏ bỴ khu∏ch Đi, viêc ảu tiờn cản lm l xem
xột tớnh n nh ca bẻ khuch Đi. Trong bẻ khuch Đi cao
tản tính Ín ‡nh ˜Ịc ánh giá thơng qua hai chø sË
⌫.
N∏u hai chø sË này th‰a mãn ( > 1) ( > 0) thỡ bẻ khuch
Đi l n nh khụng i∑u kiªn [9]. Tuy nhiên, vĨi transistor
˜Ịc thi∏t k∏  phản II-A dđn n bẻ khuch Đi khụng l n
nh khụng iu kiên. Vỡ vy, viêc ảu tiờn khi thit k bẻ
khuch Đi l tng iên tr các băng cỏch mc nậi tip vểi
các iên tr ' = 8 (do iên tr các ca transistor ban
ảu nh, 2⌦, gây ra bi Ỵ rỴng kênh cıa transistor lĨn v
nhiu kờnh dđn ềc ghộp song song). Băng cỏch mc thêm
iªn tr, vùng Ín ‡nh lËi vào và lËi ra ã ˜Ịc m rỴng ra
tồn bỴ Á th‡ Smith. Nh˜ vy, Êm bÊo bẻ khuch Đi l n

nh.
Vựng hoĐt ẻng tuyn tớnh ca bẻ khuch Đi cụng suòt
ềc xỏc nh bi im nộn 1 dB (%13). tng hiêu suòt
ca vùng tuy∏n tính, m§ch phËi hỊp tr kháng ph£i ˜Ịc thit
k kộo im %13 gản vểi im cụng suòt bão hịa (%B0C ).
Mơ ph‰ng load-pull là ph˜Ïng pháp phÍ bi∏n ∫ xác ‡nh tr
kháng t£i tËi ˜u (/ > ?C ) cho cỏc c trng ca bẻ khuch Đi

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 4. M§ch phËi hỊp tr kháng lËi ra.

Nh˜ ã ∑ c™p  ph¶n tr˜Ĩc, thi∏t k∏ [4] s˚ dˆng nhiu linh
kiên th ẻng cho mĐch bin i tr khỏng ( c biêt l cuẻn
cÊm, bẻ chuyn i tr khỏng) truyn hai bng tản trờn mẻt
èng truyn súng, do ú hiêu suòt nng lềng khụng tật. Viêc
láa chn phẽng pháp phËi hỊp tr có suy hao chèn nh‰ có th
tng ềc hiêu suòt hoĐt ẻng ca bẻ khuch Đi. Th™t v™y, suy
hao chèn cıa bỴ bi∏n Íi tr kháng lĨn hÏn so vĨi m§ch phËi
hỊp tr kháng s˚ dˆng cỏc phản t tp trung [2]. MĐch bin
i tr khỏng lËi ra trong nghiên c˘u [4] bao gÁm ba cn
c£m ! 1 (0, 978 = ; & = 14, 74), ! 20 (1, 375 = ; & = 12, 07)
và ! 21 (1 = ; & = 13) tĐi tản sË 2,4 GHz, ây là nguyên nhân
chính làm t´ng suy hao chốn trong èng truyn v giÊm hiêu
suòt hê thậng. Trong thit k bẻ khuch Đi cụng suòt, giÊm
sậ lềng v giỏ tr ca cuẻn cÊm l mòu chật Đt ềc hiêu
suòt cao.

88

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)
III. CÁC KịT Q MƠ PHƒNG

lên ˜Ịc chia thành các khËi tài ngun cho nhi∑u thi∏t b‡ có
b´ng thơng nh‰ hÏn 20 MHz [11]. Trong mụ phng ny ny,
chỳng tụi thác hiên kim tra Ỵ lĨn véc-tÏ lÈi (EVM - Error
Vector Magnitude) và t sË cơng st rị kênh lân c™n (ACLR
- Adjacent Channel Leakage Power Ratio) vĨi b´ng thơng là
20 MHz và Î phân gi£i i∑u ch∏ là 64 QAM ∫ ánh giỏ c
tớnh kờnh truyn ca bẻ khuch Đi cụng suòt xuòt.
Hỡnh 6 th hiên giỏ tr EVM so vểi cụng suòt lậi ra ậi
vểi tớn hiêu OFDM VHT20, MSC5 vĨi b´ng thơng 20 MHz
và Ỵ phân gi£i i∑u ch∏ l 64 QAM. Êm bÊo chòt lềng
ca tớn hiêu trên kênh truy∑n (khơng gây nhiπu liên k˛ t¸),
EVM tËi thi∫u cho Ỵ phân gi£i i∑u ch∏ 64 QAM và t lê
mó húa kờnh 5/6 l 28 dB. Bẻ khuch §i này có cơng st
lËi ra trung bình là 16, 3 dBm Ëi vĨi EVM nh‰ hÏn 28 dB.
Hình 7 th hiên èng biờn v ph tản sậ ậi vểi cụng suòt lậi
ra trung bỡnh l 18, 73 dBm tĐi t¶n sË sóng mang 2,442 GHz
(kênh 7 cıa WiFi). K∏t quÊ ny cho thòy tớn hiêu sau khi qua
bẻ khuch §i khơng gây nhiπu liên k˛ t¸ cho các kênh khỏc
cựng tn tĐi do năm dểi giểi hĐn ACLR.

Bẻ khuch Đi cụng suòt ềc thit k dáa trờn cụng nghê
CMOS 65nm GPlus cıa hãng TSMC, s˚ dˆng bỴ cơng cˆ
thi∏t k∏ ph¶n c˘ng Custom Compiler t¯ hãng Synopsys. Thi∏t
k∏ ã ềc mụ phng băng chẽng trỡnh mụ phng phản cng
HSPICE vểi sẽ mĐch iên, mụ hỡnh transistor ềc trớch
xuòt t¯ thi∏t k∏ layout vĨi các thơng sË t¯ mơ hình BSIM4

˜Ịc cung cßp bi hãng TSMC. ∫ ánh giá hiêu suòt ca PA
ềc xuòt, chỳng tụi thác hiên mơ ph‰ng a hài Hamornic
Balance (HB), mơ ph‰ng tuy∏n tính (LIN) và mơ ph‰ng Ỵ
lĨn cıa véc-tÏ lÈi (EVM). Trong ph¶n này, chúng tơi s≥ trình
bày k∏t qu£ cıa các mụ phng ó ềc thác hiên.
A. Mụ phng a hi
Hiêu suòt khuch Đi ềc ỏnh giỏ băng cỏch s dng mụ
phng a hi. Cụng suòt tớn hiêu lậi vo (%8= ) ˜Ịc i∑u chønh
theo chi∑u t´ng d¶n t¯ 0 dBm ∏n 16 dBm. Các thơng sË ˜Ịc
xem xét bao gÁm hê sậ khuch Đi (Gain), hiêu suòt v cụng
suòt tớn hiêu tĐi lậi ra. Hỡnh 5 biu din mậi liờn hê ca cỏc
tham sậ ny vểi cụng suòt tớn hiêu lậi vo. Hiêu suòt ềc xỏc
nh bi t sậ gia cụng suòt tớn hiêu lậi ra %>DC v cụng suòt
ềc cung còp bi ngun nuụi mẻt chiu %DC ; trong khi ú,
hiêu suòt tng cụng suòt (Power-added Efficiency-PAE) ềc
tớnh toỏn dáa trờn t lê ca cụng suòt tng thờm (%>DC %8= )
v cụng suòt ngun nuụi.Hê sậ khuch Đi l t sậ gia cụng
suòt tớn hiêu lậi ra %>DC so vểi cụng suòt tớn hiêu lậi vo %8= .
Bẻ khuch Đi cụng suòt (PA) cú hê sậ khuch Đi hẽn
8 dB cho bng tản 2,4 GHz. PA Đt ềc cụng suòt bóo hũa
23,5 dBm vểi hiêu suòt các Đi 58,5% tĐi. Tuy nhiờn, im
nộn 1 dB v cụng suòt lậi ra l 21,8 dBm, hiêu suòt l 45%
ậi vểi cỏc mụ phng trờn sẽ mĐch iên ềc xt.

Hình 6. Mơ ph‰ng kênh truy∑n vĨi thơng l˜Ịng 54 Mbps.

Hình 5. Các ∞c tr˜ng v∑ n´ng l˜Ịng.

B. Mơ ph‰ng kờnh truyn
Chuân 802.11ax tĐi bng tản 2,4 GHz cú hai cßu hình b´ng

thơng kênh truy∑n bao gÁm b´ng thơng kênh 40 MHz vểi
ẻ phõn giÊi ca tớn hiêu iu ch tËi a là 1024 QAM và
b´ng thông kênh là 20 MHz vĨi Ỵ phân gi£i i∑u ch∏ 64
QAM [10]. Ëi vĨi các thi∏t b‡ di Ỵng và IoT, kênh ˜Ìng

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 7.

89

˜Ìng biên và phÍ t¶n sË trên kênh truy∑n.


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
C.

∞c tr˜ng cıa mĐng hai cng v tớnh n nh ca hê thậng

Cuậi cựng, trểc khi kt lun bẻ khuch Đi cụng suòt hoĐt
ẻng tật tĐi tản sậ cao, cỏc tham sậ ca ma trn tỏn xĐ S v
hê sậ n nh phÊi ềc trớch xuòt ỏnh giỏ cỏc tớnh chòt
ca mĐng hai cng v tớnh n nh ca hê thậng.
Trờn thác t lậi vo ca bẻ khuch Đi cụng suòt s ˜Ịc
phËi hỊp tr kháng vĨi lËi ra cıa bỴ khu∏ch Đi êm. Tuy
nhiờn, trong mụ phng ny, bẻ khuch Đi cơng st ˜Ịc
phËi hỊp tr kháng lËi vào vĨi t£i 50 thun tiên cho viêc
kim tra. MĐch phậi hềp tr khỏng lậi vo gm mẻt t iên
(2 = 3 pF) và mỴt cn c£m (! = 0, 83 nH, & factor = 15, 3)
˜Ịc ghép song song vĨi lậi vo ca bẻ khuch Đi.

Hỡnh 8 biu din cỏc tham sË cıa ma tr™n tán x§ S gÁm
(11 , (12 , (21 , (22 . Nh™n xét chung, bỴ khuch Đi hoĐt ẻng
trong min tản sậ t 2-3 GHz vểi hê sậ khuch Đi (21 = 12dB,
hê sậ truyn ngềc (12 <-25 dB chng t bẻ khuch Đi cú
tớnh ẽn hểng cao, hê sậ phÊn xĐ lậi vo trong dÊi hoĐt ẻng
nh, (11 < 14 dB.
Hỡnh 9. Tớnh n nh ca bẻ khuch Đi.

Đt ềc hiêu suòt nng lềng lển hẽn nhng nú vđn ỏp ng
yờu cảu thit k vểi hê sậ khuch Đi l 8, 6 dB (khụng tính
∏n m§ch m§ch phËi hỊp tr kháng lËi vào). Trên thác t hê
sậ khuch Đi cú th ềc cÊi thiên băng cỏch s dng thờm
mẻt bẻ khuch Đi êm phự hềp vểi thit k ca hê thậng.
Layout ca bẻ khuch §i cơng st ∑ xt ˜Ịc trình bày
trên Hình 10. Diên tớch thác thi phản cng khoÊng 0, 16 << 2 ,
cho thòy õy l mẻt thit k tit kiêm ˜Ịc chi phí khi ch∏
t§o.

Hình 8. Thơng sË cıa ma trn phÊn xĐ S.

Tớnh n nh ca hê thậng ềc ki∫m tra thơng qua hai hª
sË Ín ‡nh là và ⌫ [2]. Thơng th˜Ìng, khi hª sË > 1 và
hª sË ⌫ > 0 thì hª thËng ˜Ịc xem là Ín ‡nh trong d£i t¶n sË
ang xét ∏n. Hình 9 bi∫u diπn k∏t qu£ kh£o sát hª sË và ⌫
trong dÊi tản sậ t 2-3 GHz. Cú th thòy răng, hê sậ > 1, 3
v > 0, 4 tĐi vùng t¶n sË 2-3 GHz. Do ó, có th∫ k∏t lun
răng, bẻ khuch Đi hoĐt ẻng n nh tĐi bng tản 2,4 GHz.
BÊng I thác hiên viêc so sỏnh cỏc c trng ca bẻ khuch
Đi xuòt vểi cỏc cụng trình ã ˜Ịc cơng bË tr˜Ĩc ây, gÁm:
%B0C , %C 1 >DC @ 28 dB EVM), hê sậ khuch Đi v hiêu suòt

tậi a ca bẻ khuch Đi. Cỏc bẻ khu∏ch §i ˜Ịc thi∏t k∏
trong [4], [6] và [8] có ẻ tuyn tớnh cao vểi cỏc còu trỳc thác
thi khỏc nhau. Nghiờn cu [4] thác hiên bẻ PA cú khÊ nng
còu hỡnh lĐi, bng tản kộp. Trong khi ú, nghiờn cu [6] trỡnh
by mẻt bẻ khuch Đi khÊ trỡnh cú th hoĐt ẻng nhiu ch
ẻ nõng cao hiêu suòt. Bẻ khuch Đi trong [8] ềc thit
k theo chuân 802.11n.
Cú th thòy răng, thit k ềc xuòt trong bi bỏo cú hiêu
suòt cao nhòt. Mc dự thit k ỏnh i hê sậ khuch Đi

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hỡnh 10. Layout ca bẻ khuch Đi cụng suòt xuòt.

90


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
TÀI LIõU THAM KHÉO

B£ng I
SO SÁNH VŒI CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CŸU LIÊN QUAN
c trng

xuòt

[4]

[6]

[8]

o Đc

Mụ phng

o Đc

Mụ phng

%B0C

23 dBm

18,7 dBm

28,3 dBm

23,5 dBm

%C1 >DC @ 283⌫
EVM

10,8 dBm

14,4 dBm
(-20 dB)

22,4 dBm
(-25 dB)

16,3 dBm

Hª sậ khuch Đi

9 dB

8 dB

12 dB

8,6 dB

Hiêu suòt tậi a

30%

25%
(PA+DA)

52,2%

58%

LoĐi bi∏n Íi tr
kháng

Balun
PHTK

PHTK

Balun

PHTK

K∏t qu£

iªn áp ngn
Cơng nghª

[1] N. Madan. Uplink-OFDMA, a game changer for Wi-Fi CERTIFIED™
networks. [Online]. Available:
[2] S. Aloui, “Design of 60ghz 65nm cmos power amplifier.” Ph.D. dissertation, 2010.
[3] L. Nathawad, M. Zargari, H. Samavati, S. Mehta, A. Kheirkhahi,
P. Chen, K. Gong, B. Vakili-Amini, J. Hwang, M. Chen et al., “A dualband cmos mimo radio soc for ieee 802.11 n wireless lan,” in 2008
IEEE International Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical
Papers. IEEE, 2008, pp. 358–619.
[4] B. Liu, X. Quan, C. C. Boon, D. Khanna, P. Choi, and X. Yi, “Reconfigurable 2.4-/5-ghz dual-band transmitter front-end supporting 1024-qam
for wlan 802.11 ax application in 40-nm cmos,” IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, 2020.
[5] J. Ko, S. Lee, and S. Nam, “An s/x-band cmos power amplifier using
a transformer-based reconfigurable output matching network,” in 2017
IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC). IEEE,
2017, pp. 344–347.
[6] A. Modesto, F. Santos, J. Pereira, B. Leite, and A. Mariano, “A cmos
power amplifier with reconfigurable power cells and matching network
for 2.4 ghz wireless communications,” AEU-International Journal of
Electronics and Communications, vol. 111, p. 152919, 2019.
[7] F. Santos, A. Mariano, and B. Leite, “2.4 ghz cmos digitally programmable power amplifier for power back-off operation,” in 2016 IEEE

7th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS). IEEE,
2016, pp. 159–162.
[8] A. Afsahi, A. Behzad, V. Magoon, and L. E. Larson, “Fully integrated
dual-band power amplifiers with on-chip baluns in 65nm cmos for an
802.11 n mimo wlan soc,” in 2009 IEEE Radio Frequency Integrated
Circuits Symposium. IEEE, 2009, pp. 365–368.
[9] D. M. Pozar, Microwave Engineering 3e. Wiley, 2006, pp. 564–585.
[10] National Instruments. Introduction to 802.11ax high-efficiency wireless. [Online]. Available: />[11] D. Bankov, A. Didenko, E. Khorov, and A. Lyakhov, “Ofdma uplink
scheduling in ieee 802.11 ax networks,” in 2018 IEEE International
Conference on Communications (ICC). IEEE, 2018, pp. 1–6.

2,5 V

1,8 V

3,3 V

3,3 V

40 nm

90 nm

65 nm

65 nm

IV. KòT LUọN
Trong nghiờn cu ny, mẻt thit k bẻ khuch Đi cụng suòt
siờu cao tản tuyn tớnh hiêu suòt cao dáa trờn cụng nghê TSMC

65nm ó ềc thác hiên. Bẻ khuch §i phù hỊp vĨi các ˘ng
dˆng IoT b´ng t¶n 2,4 GHz ∫ khai thác lỊi ích t¯ tiêu chu©n
Wi-Fi 6. Thit k ny s dng kin trỳc bẻ khuch Đi ẽn
ềc tậi u còu trỳc transistor v mĐch phậi hềp tr khỏng
Đt ềc hiêu suòt nng lềng cao trong vùng tuy∏n tính.
Thi∏t k∏ ã ˜Ịc ánh giá vĨi mơ ph‰ng Hamonic Balance,
mơ ph‰ng Ỵ lĨn véc-tÏ lÈi và cho kt quÊ hiêu suòt cao lờn
n 58% vểi hê sậ khu∏ch §i là 8, 6 dB.

ISBN: 978-604-80-5076-4

91