Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
MỤC LỤC
Tiểu Luận Thiết Kế Vi Mạch Tích Hợp
Đề Tài : Những hệ thống và cấu trúc của đường truyền vô tuyến tần số cao
0_ Lời Nói Đầu :
Bài viết này bàn luận về mức độ ứng dụng cho đến những hạn chế của mạch đối với
đường truyền vô tuyến có tần số cao. Bởi vì có những khó khăn về mặt kỹ thuật, công
nghệ và giá thành đóng gói cao hơn, nên các ứng dụng tại những tần số này chỉ có ý
nghĩa khi những thuộc tính đặc biệt của nó đảm bảo những thuận lợi rõ ràng cho những
ứng dụng này. Những thuận lợi như vậy có thể đáp ứng với những hệ thống cao hơn, an
ninh và bảo mật tốt hơn và có độ phân giải không gian cao hơn.( khoảng cách nhỏ nhất
giữa hai vật phản xạ mà chúng có thể phân biệt rõ tín hiệu dội trên màn hiển thị. Độ
phân giải không gian được chia thành độ phân giải ngang, độ phân giải dọc trục và slice
thickness ). Để khai thác những lợi thế này đòi hỏi phải có sự lựa chọn cẩn thận trong
thiết kế kiến trúc hệ thống, và áp đặt các hạn chế cụ thể đó lên những mạch điện và công
nghệ Trong hầu hết các trường hợp, nó cũng sẽ yêu cầu tạo chùm tia xuyên qua những
cấu trúc của giàn ăn ten đã định pha ( vô tuyến vũ trụ ). Thực hiện xử lý tín hiệu cho
chùm tia đó có thể đạt được hiệu quả trong miền RF.
1_Giới thiệu :
Gần đây, sự quan tâm đến những đường truyền vô tuyến có tần số cao ngày càng gia tăng.
Điều này xảy ra là bởi những ứng dụng vô tuyến không dây cần có tốc độ dữ liệu cao,
cùng với yêu cầu về an ninh, bảo mật và độ phân giải không gian tốt hơn, và với sự sẵn
sàng của công nghệ vi mạch tích hợp IC đã cho phép triển khai các thành phần RF của
đường truyền vô tuyến với giá thành rẻ.
Trong bài viết này, các tiêu chuẩn, quy định và các kênh vô tuyến sẽ được trình bày đầu
tiên ở Section 1. Mục đích của việc sử dụng đường truyền vô tuyến tần số cao sẽ được
trinh bày và thảo luận ở Section 2, và phần 3 sẽ trình bày những yêu cầu và hạn chế cho
cấu trúc của mạch thu phát trong những ứng dụng của đường truyền vô tuyến.
1.1_ Sự Phát triển Tiêu Chuẩn
Có nhiều ứng dụng đa phương tiện trong việc thực hiện các cuộc gọi truyền dẫn không

Kỹ thuật điện tử K19 Page 2
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
Trên hình này dãi tần được phân bổ cho châu âu chỉ mang tính biểu thị vì nó vẫn còn
đang được xem xét. Đề có thể đạt được sự thống nhất trên toàn thế giới nó sẽ có ý nghĩa
khi chuyển đổi xuống dưới băng tần 2GHz của châu âu. Một động cơ bổ sung cho điều
này là ở tại những tần số trên 64Ghz sự hấp thu oxy nhanh chóng trở nên không đáng kể (
từ 7 dB/km tại 64 Ghz và chỉ giảm 2dB tại 66 Ghz ) vì thế một phần của quang phổ này
sẽ phù hợp hơn để thích ứng với các loại hình khác, chẳng hạn như các kết nối back haul
ngoài trời. Back haul là khái niệm về một đường truyền ( kết nối ) giữa nhà cung cấp
dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối, và giữa các trạm phân phối đó với
nhau. Nếu so sánh như trong các mạng khác, backhaul là phần kết nối từ nhà cung cấp
đến BTS (trạm thu phát) và giữa các BTS với nhau ( như trong mạng di động ). Đối với
trường hợp tương tự của nhật bản cũng nên xem xét lại. Nhằm giảm thiểu sự trải rộng
băng thông trên toàn thế giới sẽ còn đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế khối RF và anten
bởi vì những yêu cầu băng thông chỉ có thể được đáp ứng tại một giá thành đáng kể của
những con số hoạt động khác như hiệu suất của anten.
1.3 Sự lan truyền kênh.
Một tính toán link budget ( ngân sách đường truyền ) cơ bản được đưa ra dẫn đến một kết
luận rằng đối với việc truyền tải đáng tin cậy Gbps, với khoảng cách trên 10m thì anten
phải có độ lợi tương đối cao. Những anten không cung cấp kỹ thuật đa đường, trong đó
có những quy định đầu ra đúng những kỹ thuật MIMO tại dãi tần 60Ghz. Mặc khác độ
lợi anten thì dễ dàng để đạt được với những cấu trúc tại tần số cao, thúc đẩy việc sừ dụng
các chùm tia anten thu hẹp kết hợp với các kỹ thuật lái chùm tia để tăng tính linh hoạt của
hệ thống. do đó trong những chương sau chúng ta sẽ tập trung vào việc ứng dụng các
anten có độ lợi cao.
1.3.1 Tỉ lệ Fading nhỏ.
Hình 2 : Sự Thay đổi phạm vi nhỏ của cường độ tín hiệu tại 60Ghz hình ( 2a ) band
hẹp và hình ( 2b ) băng tần rộng 1Ghz.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 3

Điều này được xác nhận bởi các thí nghiệm thực tế.
2. Động cơ thúc đẩy cho việc sử dụng những tần số cao
Trong bài này đường truyền vô tuyến tần số cao được định nghĩa là phần trên của băng
SHF và phần dưới của bằng EHF nằm trong khoảng từ 10Ghz đến 100Ghz. Một số động
cơ thúc đẩy trong việc sử dụng những tần số cao trong đường truyền vô tuyến như sau:
- Phổ tần vô tuyến tại nhưng tần số cao vẫn còn kém phát triển, do đó nhiều
phổ tần với độ rộng băng thông rộng hơn có sẵn trong những tần số này.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 4
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
- Dung lượng hệ thống đòi hỏi phải cao hơn tại những tần số cao hơn, bởi vì
một khoảng tín hiệu vô tuyến đã bị giới hạn, kết quả trong các cell nhỏ hơn. Do đó
cùng một tần số có thể tái sử dụng lại trong một khoảng cách ngắn hơn ( tái sử
dụng tần số trong mạng thông tin di động tế bào )
- Sự riêng tư và bảo mật vốn có thì được tốt hơn ở nhửng tần số cao bởi vì nó
đạt được ở phạm vi hạn chế và độ rộng chùm tia tương đối hẹp.
- Ở tần số cao độ phân giải không gian tốt hơn
- Kích thước ăn ten ở những tần số cao trở nên quá nhỏ, nó sẽ trở thành thực
tiễn đề xây dựng và tích hợp chúng thành các dàn anten phước tạp hoặc hơn thế
nữa.
Trong những phần sau những động cơ nói trên sẽ được thảo luận riêng
2.1 Room At the Top.
Sự cần thiết cho phổ tần vô tuyến băng rộng tăng lên bởi vì hệ thống đó có yêu cầu
chuyển giao không đây tốc độ dữ liệu rất cao. Nhu cầu cho các hệ thống này được thúc
đẩy bởi vì :
- Con người ngày càng sử dụng các hệ thống có dây truyền tải tốc độ cao hơn
như cáp chuyên dụng HDMI, gigabit ethernet (IEEE 802.3-2005), Firewire (IEEE
1394) … Những giao diện này cung cấp tốc độ dữ liệu trong khoảng từ 1Gbps đến
10Gbps. Một khi con người sử dụng các hệ thống có dây để truyền tải dữ liệu với
tốc độ cao thì họ cũng đòi hỏi điều tương tự cho các hệ thống không dây.

lợi của của các ăng-ten nhận được, GTX là độ lợi của các ăng-ten phát, Landa là bước
sóng, và r là khoảng cách giữa các ăng-ten. Phương trình truyền tải Friis ban đầu thì có
giá trị trong các môi trường không gian tự do với một giá trị của 2 tham số anpha. Nó
cũng được sử dụng đề ước lượng công suất thu trung bình trong môi trường đa đường bên
trong các tòa nhà, trong trường hợp các tham số anpha thay đổi từ 1.8 đến 5.2 và cao hơn
cho những tần số cao hơn công suất sẽ bị suy giảm khi xuyên qua những bức tường.
Kết hợp 2 công thức ( 3 ) và ( 4 ) tốc độ dữ liệu đạt được của một hệ thống có thể được
thể hiện như một hàm của băng thông và tần số như sau ( 5 )
Ảnh hưởng của băng thông và tần số lên tốc độ dữ liệu được thể hiện ở trong hình 3 cho
một hệ thống với r = 10m, PTX = 0.1W và ½ bước sóng anten dipole ( lưỡng cực ) trong
không gian tự do ( anpha =2 ). Trên hình này cũng cho ta thấy tốc độ dữ liệu đạt được
như một hàm của băng thông và tần số tại khoảng cách d = 10m với công suất truyền tải
là 100mw. Hình vẽ cho thấy rằng tốc độ dữ liệu vượt quá 10Gbps có thể đạt được với
băng thông cao ( 1Ghz ) và tần số thấp ( 1Ghz ).
Hình dạng của đồ thị được thể hiện do những tác động khác nhau của băng thông và SNR
( và do tần số gián tiếp ) trên dung lượng của kênh. Sự tăng băng thông dường như một
cách rõ ràng để nâng cao năng lực kênh, nhưng tất nhiên cũng làm tăng nhiễu trong kênh
Kỹ thuật điện tử K19 Page 6
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
đó và do đó làm giảm SNR ở một mức độ tín hiệu cố định. Do đó, sự tăng độ rộng băng
thông chỉ có ý nghĩa chỉ khi SNR đủ cao : cho SNR nhỏ, dung lương kênh thì độc lập với
băng thông. Do đó băng thông cao ở tần số cao chỉ có ý nghĩa nếu SNR nhận được cũng
cao. Vì trong môi trường trong nhà alpha là một hàm của tần số , tối ưu ở tần số thấp sẽ
được, thậm chí còn rõ nét hơn được thể hiện ở hình 3.
Hình 3 : Tốc độ dữ liệu đạt được với tần số và băng thông với độ rộng ½ búp sóng
dipole
Điều này, cùng với độ minh bạch cao hơn của những bức tường ở những tần số thấp hơn
và những thiết bị điện tử đơn giản và rẻ hơn, giải thích sự phổ biến của tần số tương đối
thấp cho liên lạc vô tuyến. Tuy nhiên điều này vốn đã dẫn đến sự xung đột nếu tất cả các

gần. Mặc dù ở những tần số cao, các đối tượng cần được gần các anten để phối hợp trở
kháng, khớp nối giữa các phần tử trong từng mảng có thể thay đổi đáng kể trong sự hiện
diện của các đối tượng gần mảng. Những hệ thống không yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hoặc
cần phải xuyên qua những bức tường có khả năng giữ lại ở các tần số thấp hơn, bởi vì cả
hai đề có thiết kế đơn giản và giá thành thấp của bộ thu phát và do tính xuyên suốt cùa
những bức tường và những đối tượng khác.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 8
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
2.2 Dung lượng, an ninh và tính riêng tư.
Mặc dù độ mờ đục tương đối cao của bức tường ở tần số cao có thể là một
hạn chế cho các liên kết vô tuyến, nó cũng cung cấp các lợi thế như dung lượng của hệ
thống cao hơn, kể từ khi cùng một phổ tần vô tuyến có thể được tái sử dụng ở những
khoảng cách ngắn hơn. Tiếp tục tăng công suất hệ thống có thể đạt được bằng cách khai
thác các chiều không gian nhiều hơn thông qua việc sử dụng các chùm vô tuyến nó được
tạo ra bởi các hệ thống mảng theo từng giai đoạn. Nó sẽ làm giảm sự can nhiễu giữa các
liên kết khác nhau, và do đó nâng cao năng lực hệ thống. Bảo mật vốn có và sự riêng tư
cũng dễ dàng hơn để đạt được ở mức tần số cao hơn , bởi vì phạm vi tín hiệu radio cả hai
được giới hạn tới một căn phòng chủ yếu là duy nhất, và vì các tín hiệu có thể được giới
hạn trong một chùm hẹp tương đối dễ dàng. Khi một tín hiệu rất khó để lấy bên ngoài của
chùm tia hẹp và bên ngoài phòng, có một bảo vệ sự riêng tư vốn có trong hệ thống mà
không phụ thuộc vào việc triển khai chính xác của thuật toán mã hóa không thể phá vỡ,
và do đó không dễ bị nghe trộm từ xa. Tương tự như vậy, Một máy thu chỉ nhạy cảm với
tín hiệu có nguồn gốc trong một chùm hẹp trong phòng duy nhất là vốn an toàn hơn
chống lại các cuộc tấn công từ xa, mà không cần phải dựa vào việc triển khai chính xác
của thuật toán xác nhận danh tính phá vỡ. Những lợi thế này được bù đắp một phần bởi
sự cần thiết phải có các điểm truy cập cá nhân cho tất cả các phòng, mà chuyển thành đầu
tư cao hơn và chi phí cài đặt. Tuy nhiên, điều này có thể là một hấp dẫn thương mại tùy
thuộc vào giá trị của năng lực hệ thống, an ninh và sự riêng tư cho một hệ thống
2.3 Độ phân giải không gian.

vệ các tín hiệu RF tránh mất mát một phần nào.
- Kích thước và vị trí tương đối của anten có thể được thiết kế chính xác và
được biết đến tại thời điểm thiết kế bộ thu phát có thể được tối ưu hóa cho các đặc
tính của anten.
2.5 Những hậu quà cho việc điều chỉnh chùm tia.
Để khai thác những lợi thế đã được trình bày ở mục 2.1 và 2.3, những anten với chùm tia
hẹp và độ lợi được yêu cầu cao, và với ngoại lệ của đường truyền LOS tĩnh, những đặc
tính của những chùm tia này cần phải thích nghi với vị trí của những bộ thu phát và môi
trường. Do đó điều khiển chùm tia thích nghi sẽ là một phần thiết yếu của hầu hết các liên
hết vô tuyến tần số cao. Điều này sẽ ảnh hưởng đến kiến trúc và các yêu cầu về lớp mạch
cho các bộ thu phát hoạt động ở các tần số cao.
3. Mức độ hệ thống, những yêu cầu về kiến trúc và lớp mạch
Mặc dù chúng có nhiều khía cạnh tương tự như những kiến trúc của bộ thu phát tại các
tần số thấp hơn, thì kiến trúc của những bộ thu phát được tích hợp hoạt động ở các tần số
cao phải đáp ứng được các điều kiện và yêu cầu khác nhau.
3.1 Thiết kế hệ thống.
Như đã thảo luận trong phần 2.1, một trong các trình điều khiển chính cho các liên kết vô
tuyến điện thực hiện ở tần số rất cao là sự sẵn có của các băng tần trống mà cho phép việc
sử dụng truyền dẫn băng thông rộng để đạt được dữ liệu cao, miễn là tỉ lệ SNR cao đủ để
chấp nhận được. Một cách để làm giảm bớt các yêu cầu về tỉ lệ SNR là việc sừ dụng các
phương án điều chế băng thông hiệu quả nhỏ. Kể từ khi thực hiện các mạch ở tần số cao
bị hạn chế, phương án điều chế đường bao không đổi như ( G ) FSK, đa cấp ( G ) FSK và
điều chế pha đường bao không đổi trở nên là một phương pháp khả thi, Với tín hiệu
đường bao không đổi, các yêu cầu tuyến tính cho các bộ phận của máy thu và máy phát
có thể được giảm đáng kể, do đó làm giảm chi phí và rủi ro thực hiện, Tuy nhiên việc
tăng tỷ lệ ký hiệu và băng thông kênh sẽ đòi hỏi hiệu suất cao hơn từ bộ chuyển đổi dữ
liệu và bộ cân bằng kênh. Tiêu chuẩn hiện nay cho các liên kết vô tuyến trong dải tần số
này là không hoặc (chưa) được dùng phương pháp này, thay vì, chúng được dựa trên
Kỹ thuật điện tử K19 Page 10
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn

kênh hạn chế sẽ được cần thiết, và không có hình ảnh lọc (chỉ có băng tần chọn lọc).Sau
khi chọn lọc kênh (hạn chế), tín hiệu có thể được xử lý qua (mạnh) mạch không tuyến
tính chẳng hạn như bị giới hạn cung cấp độ lợi yêu cầu và điều khiển độ lợi tự động. Điều
này không đòi hỏi một sự kết hợp của tỷ lệ ký hiệu và chậm trễ lan truyền đạt được tỷ lệ
lỗi bit thấp mà không có một bộ cân bằng kênh cho môi trường nơi mà hệ thống được
thiết kế để làm việc. Yêu cầu này là dễ dàng hơn để đạt ở tần số rất cao bởi sự lây lan
chậm trễ là vốn thấp hơn, và tiếp tục giảm khi anten high-gain/narrow-beam (hoặc ăng-
ten mảng) được sử dụng. Trong trường hợp đó, các yêu cầu về việc giải quyết của bộ
chuyển đổi ADC được giới hạn đến 1 bit chỉ có hiệu lực, ADC có thể được thay thế bởi
Kỹ thuật điện tử K19 Page 11
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
một mẫu flip flop master hoặc slave, cho phép chuyển đổi tín hiệu với năng lượng thấp
với băng thông rất rộng.
Yêu cầu mạch cho máy thu như vậy thường sẽ đạt được độ lợi ở tần số rất cao, băng
thông rộng, và con số tiếng ồn thấp, với các yêu cầu vừa phải trong bậc tuyến tính thứ ba
và nén 1dB. Đối với zero-IF, không tuyến tính thứ hai sẽ tất nhiên cần phải chú ý, nhưng
vì sự can thiệp hạn chế cung cấp bởi các lớp cao hơn, và với một chương trình điều chế
thiết kế cẩn thận, nó thường là có thể đạt được hiệu quả mong muốn bằng cách cẩn thận
thiết kế của máy trộn và khớp nối AC trong đường dẫn IF.
Yêu cầu về tiếng ồn pha của VCO có thể được thoải mái càng tốt, kể từ khi băng thông
kênh rộng đặt các kênh lân cận (đối với tương hỗ pha trộn) ở một tần số offset lớn, Ngoài
ra, nếu hệ thống được hoàn toàn dựa TDMA, và do hiệu quả kênh duy nhất, yêu cầu về
phạm vi điều chỉnh cho VCO sẽ được nới lỏng chỉ khi quá trình lây lan, nhiệt độ và biến
đổi nguồn cung cấp điện cần phải được bù đắp. Nó thậm chí sẽ có thể để làm sạch lên
tiếng ồn pha của VCO trên kênh đầy đủ với một vòng lặp tổng hợp băng rộng.
3.3 Kiến trúc máy phát.
Máy phát cho các hệ thống tần số rất cao cần phải tạo ra các tín hiệu băng rộng. Vì
trong nhiều trường hợp, băng thông hiệu quả không phải là tham số được thiết kế chính,
và kể từ khi hệ thống không có được kích thước can nhiễu tối thiểu, những yêu cầu về

chùm tia chỉ đạo điển hình cho phạm vi GHz thấp,với pha chuyển dịch thực hiện trong
lĩnh vực kỹ thuật số (để đơn giản, chỉ nhận được đường dẫn được hiển thị cho một hệ
thống chỉ với 2 ăng ten).
Hình 5 : Sơ đồ khối của kiến trúc chùm tia điều khiển tại những tần số thấp.
Giai đoạn chuyển dịch trong lĩnh vực kỹ thuật số thường được sử dụng bởi vì nó cung cấp
một số lợi thế:
- Tính linh hoạt cao
- Độ chính xác cao
- Thiết kế tương đối dễ dàng
- Chống lại quá trình thay đổi nguồn áp và nhiệt độ
Tuy nhiên kiến trúc này có vài nhược điểm ở tần số cao
- Băng thông IF của một bộ thu phát tần số rất cao thường sẽ được
cao hơn nhiều so với ở tần số thấp hơn, làm cho giai đoạn chuyển đổi và
thêm hoạt động không rõ ràng để thiết kế, và có khả năng thiếu năng lượng
- Đường dẫn tín hiệu RF / IF, bao gồm cả việc chuyển đổi dữ liệu, đã được
thực hiện nhiều lần (một lần cho mỗi ăng-ten), chi phí thường tăng.
- Hủy bỏ can nhiễu chỉ xảy ra sau bộ cộng trong miền số. Do đó tất cả các
mạch trước bộ cộng cần phải được cung cấp đầy đủ phạm vi động để xử lý các tín
hiệu nhiểu này, mà không làm suy giảm tín hiệu thông qua, ngăn chặn, phát hiện
và điều chế qua.
Điều này sẽ làm tăng khó khăn trong việc thiết kế các mạch RF/IF và chuyển đổi dữ liệu,
cũng như tăng công suất tiêu tán cho các mạch. Vì vậy, trong nhiều trường hợp nó sẽ
được hấp dẫn để di chuyển các hoạt động kết hợp tín hiệu bên trái theo hướng ăng ten.
Các kiến trúc khác nhau có thể được xem xét cho điều này, như thể hiện trong hình 6,
hình 7 và hình 8
Kỹ thuật điện tử K19 Page 13
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng

Hình 6 : Chùm tia điều khiển kết hợp tại RF

sử dụng bộ chuyển dịch pha liên tục. Đỉnh EVM cao nhất là 0.7% tại góc tới 90 độ được
tính gần đúng của một sự chậm trễ thống nhất ( pha tuyến tính ) để chuyển dịch pha
không đổi, từ khi sự chậm trễ này là lớn nhất tại đây. Sử dụng một bộ chuyển dịch pha rời
rạc có thể bù đấp chính xác tại một vài góc tới. Đối với các góc khác các chùm tín hiệu ở
mỗi đường thu được sẽ được quay với những pha khác nhau ( không chính xác ). Do đó
các tính hiệu không được thêm vào cho chặc chẽ tín hiệu tại đầu ra. Cao điểm xảy ra ở
những nơi mà chuyển dịch lỗi thay đổi lớn nhất. Bằng việc sử dụng 4 bít chuyền dịch pha
( mỗi bước là 22.5 độ ) thì đỉnh cao nhất của EVM là 5% tại góc tới là 70 độ.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 15
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
Hình 9 : Đầu ra EVM (~1/SNR ) so với góc tới.
Mô hình mô phỏng với bộ chuyển dịch pha 4 bit được thể hiện như hình 10. Chuyển dịch
pha tương đối của 0, phi, 2phi, …. 7, được triển khai trên 8 đường tương ứng như trên
hình 10. Bằng cách làm gia tăng dịch chuyển pha “ phi “ từ 0 đến 180 độ trong một
bước 22.5 độ, hướng chùm tia được lái từ 0 đến 90 độ trong 9 mẫu. Từ con số này có thể
nhận thấy một sự chuyển dịch pha với độ phân giải 4 bit là đủ để bức xạ tại tất cả các góc
mà độ lợi đạt được là cao nhất. Trong trường hợp xấu nhất tín hiệu mất mát chỉ ít hơn
1dB
Kỹ thuật điện tử K19 Page 16
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
Hình 10 : Mô hình mảng với độ phân giải dịch pha 4 bít
3.5 . Triển khai thực hiện chùm tia điều khiển.
Từ cả 2 kết quả cho thấy thì rõ ràng sự dịch pha 4 bít thì rất gần với chuyển dịch pha liên
tục, điều này lý tưởng cho các ứng dụng của bộ dịch pha. Có thể dễ dàng thực hiện bằng
công nghệ silicon CMOS. Đối với hệ thống băng tần rộng , các board mạch đã được tối
ưu hóa cho sự chậm trễ không đổi bằng cách điều chỉnh sự lệch pha so với đặc tính tần số
của bộ dịch pha. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một đường dây chuyển
mạch hoặc cấu trúc dòng tải , mặc dù sự chú ý đặc biệt là cần thiết để giảm thiểu các tác

hơn. Tốc độ gia tăng của mạch CMOS tương tự bằng việc phát triển từng bước với cường
độ 10 năm một lần. Bộ khuếch đại công suất cao được thực hiện trong ngày nay của RF-
CMOS là công nghệ 90 nm có thể sản xuất một mức công suất đầu ra khoảng 6 dBm
tuyến tính đầy đủ, trong khi các bộ khuếch đại tiếng ồn thấp với con số tiếng ồn của 5 dB
có thể được thực hiện. Các ngành công nghiệp Chip CMOS đã được đầu tư ồ ạt trong
công nghệ 65 nm với 45 nm là bước tiếp theo hứa hẹn một hiệu suất ngày càng tăng hơn
nữa trong tương lai. Điều này làm cho CMOS tùy chọn chi phí thấp nhất và với cải thiện
hiệu suất nhanh chóng do CMOS liên tục nhân rộng của nó đang trở thành công nghệ
được lựa chọn để giải quyết thị trường sóng milimet chi phí thấp.
4. Kết luận.
Thu phát vô tuyến ở tần số rất cao được yêu cầu để đáp ứng nhu cầu của tốc độ dữ liệu
cao, công suất cao, an toàn, tư nhân, và các ứng dụng độ phân giải cao không gian. Điều
này đặt các yêu cầu đặc biệt về kiến trúc hệ thống, thiết kế và mạch. Để khai thác những
lợi thế của các máy thu phát tần số cao cho các ứng dụng, chùm tia điều khiển là điều cần
thiết. trái ngược với chùm tia điều khiển ở tần số thấp hơn, các yêu cầu kiến trúc và mạch
thu phát tần số rất cao có thể được đáp ứng với dịch pha và kết hợp lại tại RF chứ không
phải là trong lĩnh vực kỹ thuật số.
5. Ứng Dụng ( * )
Bộ thu phát 5GHz tích hợp bằng công nghệ CMOS dùng trong hệ thống LAN
không dây theo chuẩn IEEE 802.11a
( * ) Được trích từ tạp chí BCVT của tác giả : TS. Nguyễn Viết Nguyên và KS. Trần Thọ Tuân
Bộ thu phát CMOS 5GHz gồm thành phần cao tần RF và các mạch tương tự của hệ thống
LAN không dây theo chuẩn IEEE 802.11a, được tích hợp bằng công nghệ CMOS
0,25μm. ICcó công suất phát cực đại là 22dBm, giá trị tạp âm pha của bộ tổng hợp tần số
với độ dịch tần 1Mhz có giá trị bằng 112dBc/Hz.
I. Giới thiệu
Sự phát triển của thị trường mạng LAN không dây đã kéo theo rất nhiều những nghiên
cứu về công nghệ, cho phép chế tạo các thiết bị và hệ thống có thể làm việc được ở tốc
độ cao với dung lượng lớn. Chuẩn 802.11a, dựa trên cơ sở kỹ thuật điều chế ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao (OFDM) cho phép truyền số liệu với tốc độ lớn hơn

Hình 1. Sự phân phối kênh theo chuẩn 802.11a trong băng tần UNII 5GHz
Thành phần xử lý cao tần RF và các chức năng xử lý số băng tần cơ bản theo chuẩn
802.11a đối với mạng LAN không dây đã được tích hợp bằng công nghệ CMOS
0,25μm. Cấu trúc này được chia làm hai phần như trên hình 2[4][5].
II. Cấu trúc
Cấu trúc biểu diễn trên hình 2 là sơ đồ khối tổng thể của hệ thống LAN không dây bao
gồm bộ thu phát cao tần RF cùng với bộ vi xử lý điều khiển truy cập môi trường (MAC)
và bộ vi xử lý băng tần cơ bản. Bộ thu phát RF bao gồm bộ phát, thu và bộ tổng hợp tần
số. Tín hiệu đầu vào tương tự ở băng tần cơ sở là thành phần đúng pha (I) và thành phần
vuông pha (Q) được đưa vào bộ phát thông qua hai bộ chuyển đổi số - tương tự 9 bit,
160MHz (DAC), nằm trên chip xử lý băng tần cơ sở [5]. ở phía thiết bị thu, hai thành
phần vuông pha I và Q ở đầu ra của bộ thu sẽ được số hoá bởi hai bộ chuyển đổi tương
Kỹ thuật điện tử K19 Page 20
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
tự - số (ADC) 9 bit, 80MHz nằm trên chip xử lý băng tần cơ sở trước khi đưa đến bộ vi
xử lý MAC và băng tần cơ sở. Trong cấu trúc này, sử dụng các bộ lọc thông thấp LC ở
giữa hai chip là nhằm hạn chế độ rộng băng thông tạp âm và hiện tượng chồng đè. Hệ
thống này không cần sử dụng bộ lọc trung tần IF.
Hình 2. Cấu trúc hệ thống LAN không dây theo chuẩn 802.11a
Cấu trúc và quá trình xử lý tần số của bộ thu phát RF sẽ quyết định tính phức tạp và đặc
tính kỹ thuật của hệ thống. Hai trong số các cấu trúc rất thông dụng của thiết bị thu phát
là đổi tần trực tiếp và máy thu đổi tần truyền thống. Phương pháp đổi tần trực tiếp
thường được dùng trong thiết kế mạch tích hợp bởi nó tránh được việc sử dụng bộ lọc
trung tần IF và chỉ cần sử dụng một bộ tổng hợp tần số duy nhất. Tuy nhiên, nó gặp phải
một hạn chế như là biến động tần số của bộ tạo dao động nội (LO) và lôi kéo tần số nên
bộ tổng hợp tần số sẽ làm việc ở cùng một tần số như là tín hiệu RF [6]. Trong khi đó,
máy thu vô tuyến truyền thống khắc phục được những hạn chế này của cấu trúc đổi tần
trực tiếp bằng cách đưa thêm một bộ lọc trung tần IF và một bộ tổng hợp tần số.[7]
Bộ thu phát RF sử dụng cấu trúc đổi tần song song với độ dịch tần số trung tần IF là

Bộ thu phát RF được thực hiện bằng công nghệ CMOS. Ưu điểm của công nghệ CMOS
là giá thành sản xuất rẻ so với các công nghệ khác. Thêm nữa, bằng công nghệ CMOS
kết vẩy cho phép ta thực hiện các đường nối trên nhiều lớp khác nhau, tạo ra các cuộn
cảm với hệ số chất lượng cao hơn 10 lần khi làm việc ở tần số 5GHz [9]. Những cuộn
cảm này được sử dụng rất nhiều trong bộ thu phát. Tuy nhiên, các đặc tính của thiết bị
được chế tạo theo công nghệ CMOS sẽ bị thay đổi đáng kể khi thay đổi quá trình xử lý
và nhiệt độ làm việc, dẫn đến các thay đổi về thông số kỹ thuật của thiết bị. Mặc dù vậy,
ta có thể khắc phục được nhược điểm này bằng cách điều chỉnh các tầng khuếch đại kết
hợp với việc sử dụng thuật toán điều chỉnh hệ số khuếch đại tự động (AGC-Auto Gain
Control) trong hệ thống.
A. Bộ phát
Quá trình xử lý trong hệ thống phát được thực hiện như sau: ở đầu vào, các tín hiệu
vuông pha băng tần cơ sở sẽ được đổi tần lên qua bộ trộn tần 1GHz, tiếp sau là đổi tần
lên RF bằng một cặp bộ trộn tần vuông pha 4GHz. Tín hiệu đầu ra 5GHz sau đó sẽ
được đưa đến bộ khuếch đại công suất PA.
Việc thiết kế bộ khuếch đại công suất là một trong những nhiệm vụ khó khăn nhất trong
quá trình thực hiện bộ thu-phát. Như đã đề cập ở phần trên, tỷ số đỉnh/trung bình của tín
hiệu OFDM theo chuẩn 802.11a có thể đạt giá trị lên đến 17dB. Với tỷ số đỉnh/trung
bình khá lớn này yêu cầu bộ khuếch đại PA phải có khả năng cung cấp một công suất
đỉnh đầu ra lớn hơn rất nhiều giá trị trung bình của nó.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 22
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
Hình 4. Sơ đồ mạch đơn giản của bộ khuếch đại PA
Trong các ứng dụng thực tế, các đỉnh tín hiệu là rất ít khi xảy ra, do vậy yêu cầu về giá
trị tỷ số đỉnh/trung bình có thể nhỏ hơn 17dB mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến tỷ
số SNR của toàn bộ hệ thống. Trong trường hợp điều chế 16-QAM, các mô phỏng đã
chỉ ra rằng với tỷ số đỉnh/trung bình bằng 6dB chỉ làm giảm tỷ số SNR của toàn bộ hệ
thống là 0,25dB[10]. Tuy nhiên, trong thực tế, các tỷ số đỉnh/trung bình nếu nhỏ hơn 4
dB thì có thể vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ lớn vector lỗi (EVM-Error Vector

của nó có thể lập trình được (PGA-Progaramable Gain Amplifier). Bộ PGA gồm một
mạch Cascade ba tầng với hệ số khuếch đại tổng thay đổi từ 0 đến 41 dB theo bước thay
đổi là 1dB. Độ dịch thành phần một chiều trong bộ thu sẽ được loại bỏ bằng cách sử
dụng hai cặp bộ biến đổi DAC 6-bit. Tất cả các quá trình như loại bỏ độ dịch DC, AGC,
chỉ thị cường độ tín hiệu thu sẽ được thực hiện bằng các thuật toán trên chip làm việc ở
băng tần cơ sở.
Một sơ đồ mạch đơn giản của bộ khuếch đại LNA có dạng như trên hình 9. Mạch LNA
này bao gồm một cặp cascoded vi sai với các tải cảm kháng để điều chỉnh đầu ra của bộ
khuếch đại tới tần số 5GHz. Sự suy giảm cảm kháng sinh ra bởi Lsp và Lsn sẽ tạo ra
một trở kháng đầu vào phức, trở kháng này có thể được phối hợp với trở kháng nguồn
50W bằng mạch phối hợp nằm ngoài chip.
Hình 5. Sơ đồ mạch đơn giản của bộ LNA
Hình 6 biểu thị một sơ đồ mạch của khối khuếch đại sử dụng trong PGA băng tần cơ sở.
Bộ khuếch đại được thiết kế gồm hai tầng, trong đó cặp biến đổi vi sai tầng đầu sẽ biến
đổi điện áp đầu vào thành dòng theo hệ số của điện trở R1. Dòng này sau đó được biến
đổi ngược lại thành điện áp bằng cặp biến đổi vi sai thứ hai thông qua điện trở hồi tiếp
R2. Hệ số khuếch đại tổng của bộ khuếch đại được xác lập theo tỷ số của hai điện trở
R1 và R2. Giá trị này có sai số nhỏ hơn 1dB. Chế độ hồi tiếp thông thường được thực
hiện thông qua nguồn chung của tầng thứ hai, sau đó đưa đến nguồn dòng của tầng thứ
nhất. Sự điều khiển độ dịch được thực hiện bởi một cặp vi sai riêng rẽ với thành phần
trở kháng suy giảm rất lớn, thấp hơn so với hệ số khuếch đại của vòng điều khiển độ
dịch.
Kỹ thuật điện tử K19 Page 24
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn
Dũng
Hình 6. Sơ đồmạch đơn giản của tầng khuếch đại PGA
C. Bộ tổng hợp tần số
Bộ tổng hợp tần số tạo ra các tần số dao động nội vuông pha 1GHz và 4GHz để dùng
cho các bộ trộn tần trong thiết bị thu và phát. Pha của bộ tổng hợp tần số sẽ thực hiện
khoá pha thông qua VCO trên chip đối với tần số chuẩn 8MHz. Tần số VCO được vi