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

Nội dung text: 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

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i công sußt cao t¶n hiªu sußt cao trên công nghªCMOS 65nm cho các ˘ng dˆng IoT tËcÎ cao Tr¶n˘c M§nh†, Bùi Duy Hi∏u†, Tr¶n Th‡Thúy Qu˝nh†, Lê V´n Thanh VÙ‡, Tr¶n Xuân Tú† †SISLAB, Tr˜Ìng §i hÂc Công nghª,§i hÂc QuËc Gia Hà NÎi 144 Xuân Thıy, C¶u Gißy, Hà NÎi ‡Tr˜Ìng §i hÂc Khoa hÂc, §i hÂc Hu∏(vulvt@hueuni.edu.vn) 77 Nguyπn Huª, Thành phËHu∏ E-mail liên hª: hieubd@vnu.edu.vn Tóm t≠t—Tiêu chu©n Wi-Fi 6 là tiêu chu©n Wi-Fi th∏hªmÓi sußt (PA - Power Amplifier) có Îtuy ∏n tính cao∫ truy∑n ˜Òc phát tri∫n∫ hÈtrÒcho các ˘ng dˆng IoT tËcÎ cao nh˜ tín hiªu toàn vµn [2]. Tuy nhiên, PA tuy∏n tính th˜Ìng có hiªu th¸c t∏ £o, hªthËng i∑u khi∫n công nghiªp và camera quan sußt thßp hÏn các lo§i khác nên tiêu thˆnhi∑uiªn n´ng hÏn. sát chßt l˜Òng cao.∫ §t˜Òc tËcÎ cao, Wi-Fi 6 s˚dˆng Thi∏t k∏các PA tuy∏n tính vÓi hiªu qu£cao là rßt quan trÂng kˇthu™ti∑u ch∏QAM nhi∑ui∫m và a truy c™p phân chia theo t¶n sËtr¸c giao (OFDMA). Viªc s˚dˆng tín hiªu có biên Ëi vÓi các thi∏t b‡di Îng và IoT (Internet of Thing) s˚dˆng Î thay Íi và a t¶n sË òi h‰i bÎkhu∏ch §i công sußt ph£i chu©n Wi-Fi 6. tuy∏n tính nh˜ng d®n∏n hiªu sußt thßp. Trong nghiên c˘u này, G¶nây, các nhà thi∏t k∏có xu h˜Óng phát tri∫n các chúng tôi ∑ xußt mÎt thi∏t k∏khu∏ch §i công sußt tuy∏n tính có bÎkhu∏ch §i d¸a trên công nghªCMOS (Complementary hiªu sußt cao d¸a trên công nghªTSMC (Taiwan Semiconductor Metal–Oxide–Semiconductor) ∫ dπdàng tích hÒp vào chip, Manufacturing Company) 65nm t§i t¶n sË2,4 GHz cho các ˘ng t¯ ó˜a Wi-Fi 6 vào các thi∏t b‡IoT và di Îng. Công nghª dˆng IoT s˚dˆng chu©n Wi-Fi 6. Thi∏t k∏ ˜Òc∑ xußt s˚dˆng này có chi phí thßp và m™tÎ tích hÒp cao, rßt hiªu qu£khi transistor Deep-NWell ã˜Òc tùy chønh cùng vÓi m§ch phËi hÒp trkháng ˜Òc tËi˜u hóa ∫ §t˜Òc hiªu sußt s˚dˆng tích hÒp khËi thu phát cao t¶n vÓi các khËi x˚l˛tín hiªu b´ng n´ng l˜Òng lÓn và diªn tích ph¶n c˘ng nh‰. K∏t qu£mô ph‰ng cs(PHY - Physical) và khËi liên k∏t d˙liªu (MAC) thành cho thßy bÎkhu∏ch§ i công sußt này ho§tÎng ch∏ Î tuy∏n mÎt hªthËng trên chip (SoC - System on Chip) [3]. Tuy nhiên, tính (ch∏ Î A) vÓi công sußt lËi ra 21,8 dBm, hiªu sußt 45%. nh˜Òci∫m cıa công nghªCMOS là dπmßt mát n´ng l˜Òng T¯khóa—Wi-Fi 6, RFIC, khu∏ch §i công sußt tuy∏n tính. và iªn áp nguÁn nuôi thßp khi∏n viªc thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i tuy∏n tính vÓi hiªu sußt cao trên công nghªnày v®n còn nhi∑u I. GIŒI THIõU thách th˘c. Wi-Fi 6 là tiêu chu©n Wi-Fi th∏hªti∏p theo hay còn ˜Òc Theo các nghiên c˘u g¶nây, bÎkhu∏ch §i CMOS ang bi∏t∏n là tiêu chu©n IEEE 802.11ax trong bÎgiao th˘c ˜Òc thi∏t k∏theo các h˜Óng tích hÒp b´ng t¶n kép (2,4 GHz WLAN. Tiêu chu©n này qui ‡nh th¸c hiªna truy c™p phân và 5 GHz), nâng cao Î tuy∏n tính và t´ng hiªu sußt s˚dˆng chia theo t¶n sËtr¸c giao OFDMA (Orthogonal Frequency n´ng l˜Òng. Các bÎkhu∏ch §i công sußt [4] và [5] ˜Òc thi∏t Devision Multiple Access) cho các kênh ˜Ìng lên và kênh k∏ ∫ ho§tÎng b´ng t¶n kép. Các công trình này ∑xu ßt ˜Ìng xuËng giúp cho viªc truy∑n d˙liªu hiªu qu£và linh cßu trúc phËi hÒp trkháng vÓi lËi ra có th∫cßu hình l§i theo ho§t hÏn các th∏hªtr˜Óc. OFDMA cho kênh ˜Ìng lên là mong muËn, nh¨m mˆcích áp ˘ng hai b´ng t¶n trên mÎt mÎt tính n´ng mÓi rßt quan trÂng cıa Wi-Fi 6 vì nó cho phép ˜Ìng truy∑n sóng duy nhßt và chi∏m diªn tích th¸c thi ph¶n các thi∏t b‡trong m§ng truy∑n d˙liªu vÓi tËcÎ cao hÏn. ∞c c˘ng nh‰hÏn so vÓi viªc s˚dˆng hai bÎkhu∏ch §iÏn t¶n. biªt, OFDMA phân chia các kênh t¶n sËvà thÌi gian thành ∫ th¸c hiªn˜Òci∑uó, nh˙ng thi∏t k∏này s˚dˆng nhi∑u các khËi tài nguyên hiªu qu£hÏn, có th∫ ˜Òc s˚dˆng∫ linh kiªn thˆ Îng ∫ cßu hình m§ch bi∏nÍi trkháng lËi ra, truy∑n d˙liªu cùng lúc bi nhi∑u thi∏t b‡hÏn. Do ó, các bÎ vì v™y hiªu sußt n´ng l˜Òng không cao. Thi∏t k∏trong công ‡nh tuy∏n Wi-Fi 6 có th∫phˆc vˆ Áng thÌi nhi∑u thi∏t b‡ trình [6] và [7] là các bÎkhu∏ch§ i kh£trình vÓi nhi∑u ch∏ IoT vÓi tËcÎ d˙liªu khác nhau, phù hÒp vÓi không gian có Î ∫ c£i thiªn hiªu sußt cıa bÎkhu∏ch §i tuy∏n tính. Tuy i∑u kiªn ph˘c t§p và nhi∑u thi∏t b‡k∏t nËi vào m§ng không nhiên, nh˙ng thi∏t k∏này khá ph˘c t§p và suy hao chèn cıa dây nh˜t§i gia ình ho∞c v´n phòng. [1]. linh kiªn lÓn; vì v™y, hiªu sußt t˘c thÌich∏ Î tËt nhßt chø i∑u ch∏OFDM cung cßp hiªu sußt cao cho các thi∏t b‡ §t kho£ng 25%. trong m§ng Wi-Fi 6. Nó s˚dˆng i∑u ch∏1024QAM và sóng Tr˜Ócây, nhi∑u nghiên c˘uã thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i có mang con tr¸c giao∫ truy∑n tín hiªu; do ó, tlªcông sußt Î tuy∏n tính cao, hiªu sußt tËt trong khi v®n có diªn tích th¸c ønh trên công sußt trung bình (PAPR - Peak to Average Power thi ph¶n c˘ng nh‰. Thi∏t k∏[8] ã s˚dˆng bÎchuy∫nÍi tr Ratio) rßt cao. Kênh truy∑n OFDM yêu c¶u bÎkhu∏ch§ i công kháng hiªu sußt cao∫ phËi hÒp trkháng, hiªu sußt t˘c thÌi ISBN: 978-604-80-5076-4 86
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) cıa viªc chuy∫nÍiiªn n´ng thành sóng iªn t¯cıa t¶ng khu∏ch §i công sußt§t 52%. Thi∏t k∏[3] s˚dˆng kˇthu™t theo dõi ˜Ìng biên cıa tín hiªu∫ t´ng hiªu sußt cho toàn d£i công sußt cıa PA, hiªu sußt trung bình toàn d£i lên∏ n 28%. Tuy nhiên, các bÎkhu∏ch §i này t§o ra công sußt rßt cao ∫ áp ˘ng yêu c¶u cıa kênh ˜Ìng xuËng theo chu©n 802.11n; do ó, chúng c¶n m˘c tiêu thˆ iªn n´ng cao và không phù hÒp vÓi các ˘ng dˆng IoT. Bài báo này trình bày mÎt thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i công sußt vÓi diªn tích th¸c thi ph¶n c˘ng nh‰,Î tuy∏n tính cao, hiªu sußt n´ng l˜Òng tËt và phù hÒp vÓi các ˘ng dˆng IoT và di Îng t§i b´ng t¶n 2,4 GHz. BÎkhu∏ch §i s˚dˆng transistor Deep N-Well, có dòng rò thßp, ˜Òc tinh chønh l§i cùng vÓi m§ch phËi hÒp trkháng ˜Òc tËi˜u hóa ∫ §t˜Òc yêu c¶u ∑ ra. Qua các mô ph‰ng ã th¸c hiªn, bÎkhu∏ch §i∑ xußt có công sußt lËi ra 21,8 dBm và hiªu sußt 45% trong vùng ho§tÎng tuy∏n tính. NÎi dung cıa bài báo ˜Òc chia thành ba ph¶n chính. Trong ó, ph¶n II trình bày v∑cßu trúc và ∞c tr˜ng cıa bÎkhu∏ch §i∑ xußt. Ph¶n III ˜a ra các k∏t qu£mô ph‰ng. CuËi cùng là mÎt sËk∏t lu™n t§i ph¶n IV. II. TH‹C THI MÑCHIõN Hình 2. Thi∏t k∏transistor. (a) LÓp NW bao bÂc xung quanh transistor. (b) K∏t nËi trung hòa iªn áp cho lÓp NW và DNW. (c) Vòng b£o vª(guard-ring) và thiên áp cho c¸c B. (d) LÓp chßt n∑n PW cıa transistor. (e) Các chân k∏t nËi vÓi c¸c D và G. Hình 1. SÏ Á khËi khu∏ch §i cao t¶n bên phát. nuôi là 3,3 V. VÓi cßu hình này, transistor ho§tÎng  iªn áp hiªu n´ng cao và có kích th˜Óc lÓn hÏn, c˜Ìng Îdòng Hình 1 bi∫u diπn sÏ Á cıa khËi khu∏ch §i cao t¶n thông iªn t§iønh lên ∏n 400 mA ch§y qua các kênh d®n. Do ó, th˜Ìng. SÏ Á bao gÁm: bÎkhu∏ch §i công sußt (PA) cung transistor c¶n˜Òc cách ly vÓi chßt n∑n P-sub ∫ tránh hiªn cßp công sußt cao cho tín hiªu tr˜Óc khi ˜a ra ´ng-ten, bÎ t˜Òng dòng rò và suy hao công sußt. Hình 2 là thi∏t k∏cıa khu∏ch §iªm (DA - Driven Amplifier) cung cßp n´ng l˜Òng transistor trong bÎkhu∏ch §i công sußt sau khi th¸c hiªn mÎt lËi vào cho PA ∫ t´ng hªsËkhu∏ch §i hªthËng, và các m§ch sËtùy chønh. bi∏nÍi trkháng gi˙a các t¶ng. M§ch phËi hÒp trkháng Nh¨m mˆcích nâng cao hiªu n´ng khu∏ch §i công sußt, ˜Òc chÂn vì suy hao chèn cıa ph˜Ïng pháp này nh‰hÏn mÎt kênh d®n cıa transistor˜Ò c thi∏t k∏ óng kín và cách ly sËm§ch bi∏nÍi trkháng khác, giúp làm t´ng hiªu sußt n´ng vÓi chßt n∑n trênæ a bán d®n CMOS. Thi∏t k∏này s˚dˆng l˜Òng cıa hªthËng. transistor lo§i N và tùy chønh ∫nó ho§tÎng m˘c công Bài báo t™p trung vào viªc thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i công sußt sußt cao. Transistor s˚dˆng lÓp oxit kim lo§i dày và chi∑u Ïn d¸a trên RFIC (Radio Frequency Intergrated Circuit) do dài kênh 500 nm ∫ ho§tÎng vÓiiªn áp cao hÏn (3,3 V). thi∏t k∏này có cßu trúc Ïn gi£n, gi£mÎ ph˘c t§p cıa m§ch, Deep N-Well (DNW) là lÓp phıbên d˜Ói bóng bán d®n˜Òc trong khi v®n§t˜Òc các yêu c¶u kˇthu™t c¶n thi∏t. Tuy s˚dˆng ∫cách ly gi˙a transistor và chßt n∑n. LÓp N-Well nhiên, trong tr˜Ìng hÒp công sußt lÓn, các thi∏t k∏bÎkhu∏ch (NW) (Hình 2(a)) bao bÂc xung quanh transistor ˜Òc k∏t nËi §iÏn c¶n˜Òc quan tâm tÓi kh£n´ng ch‡u t£i do toàn bÎ vÓi DNW và th∏n∑n∫l Óp cách ly có iªn tích trung hòa. công sußt khu∏ch §i cıa m§ch chø i qua mÎt kênh d®n. Bên trong vòng NW, lÓp bán d®n P-Well (PW) ˜Òc k∏t nËi A. Cßu hình transistor bi mÎt vòng b£o vª(guard-ring) ∫ thiên áp cho c¸c B. Vòng ∫ áp ˘ng yêu c¶u công sußt tín hiªu vô tuy∏n cıa các thi∏t b£o vªcÙng giúp cho viªc cßu hình transistor không làm £nh b‡IoT, transistor ˜Òc cßu hình vÓi 80 kênh d®n song song h˜ng ∏n lu™t thi∏t k∏. vÓi chi∑u rÎng và chi∑u dài mÈi kênh l¶n l˜Òt là , = 0, 8 << Trong thi∏t k∏này, transistor công sußt c¶n ph£i tinh chønh và ! = 500 =<. Transistor này ho§tÎng d˜Óiiªn áp nguÁn hÒp l˛ ∫ §t˜Òc hiªu qu£mong muËn cÙng nh˜ £m b£o ISBN: 978-604-80-5076-4 87
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) không vi ph§m các lu™t thi∏t k∏. Th™t v™y, các transistor có nh˜hªsËkhu∏ch §i (Gain), công sußt lËi ra (%>DC ) và hiªu diªn tích quá lÓn s≥gây khó kh´n khi trung hòa iªn tích lÓp sußt. Trong thi∏t k∏này, hai ∞c tr˜ng v∑công sußt lËi ra và bán d®n (PW-Hình 2(d)). Do ó, c¶n thi∏t k∏mÎt vòng b£o vª hªsËkhu∏ch §i˜Òc˜a ra cân nh≠c khi mô ph‰ng. Hình 3 iªn áp (guard-ring, Hình 2(c)) xung quanh transistor và k∏t trình bày k∏t qu£cıa mô ph‰ng load-pull ã th¸c hiªn, trong nËi nó vÓi lÓp PW ∫ £m b£o c¸c B có iªn áp g¶n b¨ng ó, ˜Ìng Áng m˘c công sußt là các ˜Ìng nét li∑n và ˜Ìng không. T˜Ïng t¸, mÎt vòng b£o vª(Hình 2(b)) cÙng ˜Òc Áng m˘c hªsËkhu∏ch §i là các ˜Ìng nét ˘t. D¸a trên k∏t thi∏t k∏ ∫ trung hòa iªn áp cho lÓp cách ly NW và DNW qu£cıa mô ph‰ng load-pull, trkháng tËi˜u />?C ˜Òc chÂn (Hình 2(a)), ∫ £m b£o r¨ng chúng có ∞ci∫m t˜Ïng t¸chßt là 21 ⌦ ∫ bÎkhu∏ch §i có hªsËkhu∏ch§ i 9 dB, §t công cách iªn. Ngoài ra, ∫ tránh iªn dung k˛sinh t§i lËi vào sußt lËi ra 22,3 dBm t§ii∫m nén %13⌫ và hiªu sußt tËia (c¸c G) và lËi ra (c¸c D) cıa transistor, các k∏t nËi (Hình 2(e)) là 48% Ëi vÓi các mô ph‰ng trên sÏ Á m§ch iªn l˛t˜ng. ã˜Òc thi∏t k∏m‰ng i nh˜ng không làm t´ng giá tr‡ iªn M§ch phËi hÒp trkháng s˚dˆng các thành ph¶n thˆ Îng tr. ∫ bi∏nÍi trkháng lËi ra cıa bÎkhu∏ch §i thành trkháng ⌦ B. M§ch phËi hÒp trkháng lËi vào cıa´ng ten (50 ). CuÎn c£m trên công nghªCMOS là mÎt thành ph¶n thˆ Îng có chßt l˜Òng thßp vì nó chi∏m diªn tích rßt lÓn trong m§ch và suy hao chèn cıa linh kiªn này là rßtáng k∫.HªsËph©m chßt (&factor) và Î t¸c£m (L) là hai tham sËchính cıa cuÎn c£m. HªsË &factor càng lÓn và Î t¸c£m L càng nh‰thì suy hao chèn càng nh‰.∫ gi£m suy hao chèn và diªn tích th¸c thi ph¶n c˘ng, m§ch phËi hÒp trkháng ph£i gi£m sËl˜Òng và giá tr‡cıa cuÎn c£m. Trong thi∏t k∏này, m§ch phËi hÒp trkháng lËi ra gÁm hai thành ph¶n thˆ Îng là mÎt tˆ iªn (⇠2=2 pF) và mÎt cuÎn c£m (!1 = 1,45 nH, & = 16 . Qua mô ph‰ng vÓi sÏ Á m§ch iªn, factor ) công sußt lËi ra t§ii∫m %13⌫ là 21,8 dBm. Hình 3. K∏t qu£mô ph‰ng load-pull. Trong thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i, viªc¶u tiên c¶n làm là xem xét tính Ín‡nh cıa bÎkhu∏ch §i. Trong bÎkhu∏ch §i cao t¶n tính Ín‡nh˜Ò cánh giá thông qua hai chøsË ⌫. N∏u hai chøsËnày th‰a mãn >1 ⌫>0 thì bÎkhu∏ch Hình 4. M§ch phËi hÒp trkháng lËi ra. ( )( ) §i là Ín‡nh không i∑u kiªn [9]. Tuy nhiên, vÓi transistor ˜Òc thi∏t k∏ph¶n II-A d®n∏n bÎkhu∏ch §i không làÍ n Nh˜ ã∑c ™pph¶n tr˜Óc, thi∏t k∏[4] s˚dˆng nhi∑u linh ‡nh không i∑u kiªn. Vì v™y, viªc¶u tiên khi thi∏t k∏bÎ kiªn thˆ Îng cho m§ch bi∏nÍi trkháng (∞c biªt là cuÎn khu∏ch §i là t´ng iªn trc¸c ⌧ b¨ng cách m≠c nËi ti∏p vÓi c£m, bÎchuy∫nÍi trkháng) ∫ truy∑n hai b´ng t¶n trên mÎt c¸c ⌧ iªn tr ' = 8⌦ (do iªn trc¸c ⌧ cıa transistor ban ˜Ìng truy∑n sóng, do ó hiªu sußt n´ng l˜Òng không tËt. Viªc ¶u nh‰, 2⌦, gây ra biÎ rÎng kênh cıa transistor lÓn và l¸a chÂn ph˜Ïng pháp phËi hÒp trcó suy hao chèn nh‰có th∫ nhi∑u kênh d®n˜Òc ghép song song). B¨ng cách m≠c thêm t´ng ˜Òc hiªu sußt ho§tÎng cıa bÎkhu∏ch §i. Th™t v™y, suy iªn tr, vùng Ín‡nh lËi vào và lËi ra ã˜Òc mrÎng ra hao chèn cıa bÎbi∏nÍi trkháng lÓn hÏn so vÓi m§ch phËi toàn bÎ Á th‡Smith. Nh˜v™y, £m b£o bÎkhu∏ch §i là Ín hÒp trkháng s˚dˆng các ph¶n t˚t™p trung [2]. M§ch bi∏n ‡nh. Íi trkháng lËi ra trong nghiên c˘u [4] bao gÁm ba cuÎn Vùng ho§tÎng tuy∏n tính cıa bÎkhu∏ch §i công sußt c£m ! 0, 978 =; & = 14, 74 ,! 0 1, 375 =; & = 12, 07 1 ( ) 2 ( ) ˜Òc xác ‡nh bii∫m nén 1 dB (%13⌫).∫ t´ng hiªu sußt và ! 1 1 =; & = 13 t§i t¶n sË2,4 GHz, ây là nguyên nhân 2 ( ) cıa vùng tuy∏n tính, m§ch phËi hÒp trkháng ph£i˜Òc thi∏t chính làm t´ng suy hao chèn trong ˜Ìng truy∑n và gi£m hiªu k∏ ∫ kéo i∫m %13⌫ g¶n vÓii∫m công sußt bão hòa (%B0C). sußt hªthËng. Trong thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i công sußt, gi£m Mô ph‰ng load-pull là ph˜Ïng pháp phÍbi∏n∫ xác ‡nh tr sËl˜Òng và giá tr‡cıa cuÎn c£m là mßu chËt∫ §t˜Òc hiªu kháng t£i tËi˜u (/>?C) cho các ∞c tr˜ng cıa bÎkhu∏ch §i sußt cao. ISBN: 978-604-80-5076-4 88
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) III. CÁC KòT QUÉMÔ PHƒNG lên ˜Òc chia thành các khËi tài nguyên cho nhi∑u thi∏t b‡có BÎkhu∏ch §i công sußt˜Òc thi∏t k∏d¸a trên công nghª b´ng thông nh‰hÏn 20 MHz [11]. Trong mô ph‰ng này này, CMOS 65nm GPlus cıa hãng TSMC, s˚dˆng bÎcông cˆ chúng tôi th¸c hiªn ki∫m tra Î lÓn véc-tÏlÈi (EVM - Error thi∏t k∏ph¶n c˘ng Custom Compiler t¯hãng Synopsys. Thi∏t Vector Magnitude) và tsËcông sußt rò kênh lân c™n (ACLR k∏ ã˜Òc mô ph‰ng b¨ng ch˜Ïng trình mô ph‰ng ph¶n c˘ng - Adjacent Channel Leakage Power Ratio) vÓi b´ng thông là HSPICE vÓi sÏ Á m§ch iªn, mô hình transistor ˜Òc trích 20 MHz và Î phân gi£ii∑u ch∏là 64 QAM ∫ ánh giá ∞c xußt t¯thi∏t k∏layout vÓi các thông sËt¯mô hình BSIM4 tính kênh truy∑n cıa bÎkhu∏ch §i công sußt∑ xußt. ˜Òc cung cßp bi hãng TSMC. ∫ ánh giá hiªu sußt cıa PA Hình 6 th∫hiªn giá tr‡EVM so vÓi công sußt lËi ra Ëi ˜Òc∑ xußt, chúng tôi th¸c hiªn mô ph‰ng a hài Hamornic vÓi tín hiªu OFDM VHT20, MSC5 vÓi b´ng thông 20 MHz Balance (HB), mô ph‰ng tuy∏n tính (LIN) và mô ph‰ng Î và Î phân gi£ii∑u ch∏là 64 QAM. ∫ £m b£o chßt l˜Òng lÓn cıa véc-tÏlÈi (EVM). Trong ph¶n này, chúng tôi s≥trình cıa tín hiªu trên kênh truy∑n (không gây nhiπu liên k˛t¸), bày k∏t qu£cıa các mô ph‰ng ã˜Òc th¸c hiªn. EVM tËi thi∫u cho Î phân gi£ii∑u ch∏64 QAM và tlª mã hóa kênh 5/6 là 28 dB. BÎkhu∏ch §i này có công sußt A. Mô ph‰ng a hài lËi ra trung bình là 16, 3 dBm Ëi vÓi EVM nh‰hÏn 28 dB. Hiªu sußt khu∏ch §i˜Òcánh giá b¨ng cách s˚dˆng mô Hình 7 th∫hiªn˜Ìng biên và phÍt¶n sË Ëi vÓi công sußt lËi ph‰ng a hài. Công sußt tín hiªu lËi vào (%8=)˜Òci∑u chønh ra trung bình là 18, 73 dBm t§i t¶n sËsóng mang 2,442 GHz theo chi∑u t´ng d¶n t¯0 dBm ∏n 16 dBm. Các thông sË ˜Òc (kênh 7 cıa WiFi). K∏t qu£này cho thßy tín hiªu sau khi qua xem xét bao gÁm hªsËkhu∏ch §i (Gain), hiªu sußt và công bÎkhu∏ch §i không gây nhiπu liên k˛t¸cho các kênh khác sußt tín hiªu t§i lËi ra. Hình 5 bi∫u diπn mËi liên hªcıa các cùng tÁn t§i do n¨m d˜Ói giÓi h§n ACLR. tham sËnày vÓi công sußt tín hiªu lËi vào. Hiªu sußt˜Òc xác ‡nh bi tsËgi˙a công sußt tín hiªu lËi ra %>DC và công sußt ˜Òc cung cßp bi nguÁn nuôi mÎt chi∑u %DC; trong khi ó, hiªu sußt t´ng công sußt (Power-added Efficiency-PAE) ˜Òc tính toán d¸a trên tlªcıa công sußt t´ng thêm (%>DC %8=) và công sußt nguÁn nuôi.HªsËkhu∏ch §i là tsËgi˙a công sußt tín hiªu lËi ra %>DC so vÓi công sußt tín hiªu lËi vào %8=. BÎkhu∏ch§ i công sußt (PA) có hªsËkhu∏ch §i hÏn 8 dB cho b´ng t¶n 2,4 GHz. PA §t˜Òc công sußt bão hòa 23,5 dBm vÓi hiªu sußt c¸c§i 58,5% t§i. Tuy nhiên, i∫m nén 1 dB và công sußt lËi ra là 21,8 dBm, hiªu sußt là 45% Ëi vÓi các mô ph‰ng trên sÏ Á m§ch iªn˜Òc∑ xußt. Hình 6. Mô ph‰ng kênh truy∑n vÓi thông l˜Òng 54 Mbps. Hình 5. Các ∞c tr˜ng v∑n´ng l˜Òng. B. Mô ph‰ng kênh truy∑n Chu©n 802.11ax t§i b´ng t¶n 2,4 GHz có hai cßu hình b´ng thông kênh truy∑n bao gÁm b´ng thông kênh 40 MHz vÓi Î phân gi£i cıa tín hiªui∑u ch∏tËia là 1024 QAM và b´ng thông kênh là 20 MHz vÓiÎ phân gi£ii∑u ch∏64 Hình 7. ˜Ìng biên và phÍt¶n sËtrên kênh truy∑n. QAM [10]. Ëi vÓi các thi∏t b‡diÎ ng và IoT, kênh ˜Ìng ISBN: 978-604-80-5076-4 89
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) C.∞c tr˜ng cıa m§ng hai cÍng và tính Ín‡nh cıa hªthËng CuËi cùng, tr˜Óc khi k∏t lu™n bÎkhu∏ch §i công sußt ho§t Îng tËt t§i t¶n sËcao, các tham sËcıa ma tr™n tán x§S và hªsËÍn‡nh ph£i˜Òc trích xußt∫ ánh giá các tính chßt cıa m§ng hai cÍng và tính Ín‡nh cıa hªthËng. Trên th¸c t∏lËi vào cıa bÎkhu∏ch §i công sußt s≥ ˜Òc phËi hÒp trkháng vÓi lËi ra cıa bÎkhu∏ch §iªm. Tuy nhiên, trong mô ph‰ng này, bÎkhu∏ch §i công sußt˜Òc phËi hÒp trkháng lËi vào vÓi t£i 50 ⌦ ∫ thu™n tiªn cho viªc ki∫m tra. M§ch phËi hÒp trkháng lËi vào gÁm mÎt tˆ iªn (⇠2 = 3 pF) và mÎt cuÎn c£m (! = 0, 83 nH, &factor = 15, 3) ˜Òc ghép song song vÓi lËi vào cıa bÎkhu∏ch §i. Hình 8 bi∫u diπn các tham sËcıa ma tr™n tán x§S gÁm (11,(12,(21,(22. Nh™n xét chung, bÎkhu∏ch §i ho§tÎng trong mi∑n t¶n sËt¯2-3 GHz vÓi hªsËkhu∏ch §i (21 = 12dB, hªsËtruy∑n ng˜Òc (12 1 và hªsË ⌫>0 thì hªthËng ˜Òc xem là Ín‡nh trong d£i t¶n sË ang xét ∏n. Hình 9 bi∫u diπn k∏t qu£kh£o sát hªsË và ⌫ trong d£i t¶n sËt¯2-3 GHz. Có th∫thßy r¨ng, hªsË >1, 3 và ⌫>0, 4 t§i vùng t¶n sË2-3 GHz. Do ó, có th∫k∏t lu™n r¨ng, bÎkhu∏ch §i ho§tÎng Ín‡nh t§i b´ng t¶n 2,4 GHz. B£ng I th¸c hiªn viªc so sánh các ∞c tr˜ng cıa bÎkhu∏ch §i∑ xußt vÓi các công trình ã˜Òc công bËtr˜Ócây, gÁm: %B0C, %C1 >DC @ 28 dB EVM), hªsËkhu∏ch§ i và hiªu sußt tËia cıa bÎkhu∏ch§ i. Các bÎkhu∏ch §i˜Òc thi∏t k∏ trong [4], [6] và [8] có Î tuy∏n tính cao vÓi các cßu trúc th¸c thi khác nhau. Nghiên c˘u [4] th¸c hiªn bÎPA có kh£n´ng cßu hình l§i, b´ng t¶n kép. Trong khi ó, nghiên c˘u [6] trình bày mÎt bÎkhu∏ch§ i kh£trình có th∫ho§tÎng nhi∑u ch∏ Î ∫ nâng cao hiªu sußt. BÎkhu∏ch §i trong [8] ˜Òc thi∏t k∏theo chu©n 802.11n. Có th∫thßy r¨ng, thi∏t k∏ ˜Òc∑ xußt trong bài báo có hiªu Hình 10. Layout cıa bÎkhu∏ch §i công sußt∑ xußt. sußt cao nhßt. M∞c dù thi∏t k∏ ánh Íi hªsËkhu∏ch§ i∫ ISBN: 978-604-80-5076-4 90
6. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) B£ng I TÀI LIõU THAM KHÉO SOSÁNHVŒICÁCCÔNGTRÌNHNGHIÊNCŸULIÊNQUAN [1] N. Madan. Uplink-OFDMA, a game changer for Wi-Fi CERTIFIED™ networks. [Online]. Available: ∞c tr˜ng [4] [6] [8] ∑ xußt [2] S. Aloui, “Design of 60ghz 65nm cmos power amplifier.” Ph.D. disser- K∏t qu£ o§c Mô ph‰ng o§c Mô ph‰ng tation, 2010. [3] L. Nathawad, M. Zargari, H. Samavati, S. Mehta, A. Kheirkhahi, %B0C 23 dBm 18,7 dBm 28,3 dBm 23,5 dBm P. Chen, K. Gong, B. Vakili-Amini, J. Hwang, M. Chen et al., “A dual- band cmos mimo radio soc for ieee 802.11 n wireless lan,” in 2008 %C1 >DC @ 283⌫ 10,8 dBm 14,4 dBm 22,4 dBm 16,3 dBm EVM (-20 dB) (-25 dB) IEEE International Solid-State Circuits Conference-Digest of Technical Papers. IEEE, 2008, pp. 358–619. HªsËkhu∏ch §i 9 dB 8 dB 12 dB 8,6 dB [4] B. Liu, X. Quan, C. C. Boon, D. Khanna, P. Choi, and X. Yi, “Reconfig- urable 2.4-/5-ghz dual-band transmitter front-end supporting 1024-qam Hiªu sußt tËia 30% 25% 52,2% 58% for wlan 802.11 ax application in 40-nm cmos,” IEEE Transactions on (PA+DA) Microwave Theory and Techniques, 2020. Lo§i bi∏nÍi tr Balun PHTK Balun PHTK [5] J. Ko, S. Lee, and S. Nam, “An s/x-band cmos power amplifier using kháng PHTK a transformer-based reconfigurable output matching network,” in 2017 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC). IEEE, iªn áp nguÁn 2,5 V 1,8 V 3,3 V 3,3 V 2017, pp. 344–347. Công nghª 40 nm 90 nm 65 nm 65 nm [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. IV. KòT LUäN [7] F. Santos, A. Mariano, and B. Leite, “2.4 ghz cmos digitally pro- grammable power amplifier for power back-off operation,” in 2016 IEEE Trong nghiên c˘u này, mÎt thi∏t k∏bÎkhu∏ch §i công sußt 7th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS). IEEE, siêu cao t¶n tuy∏n tính hiªu sußt cao d¸a trên công nghªTSMC 2016, pp. 159–162. [8] A. Afsahi, A. Behzad, V. Magoon, and L. E. Larson, “Fully integrated 65nm ã˜Òc th¸c hiªn. BÎkhu∏ch §i phù hÒp vÓi các ˘ng dual-band power amplifiers with on-chip baluns in 65nm cmos for an dˆng IoT b´ng t¶n 2,4 GHz ∫ khai thác lÒi ích t¯tiêu chu©n 802.11 n mimo wlan soc,” in 2009 IEEE Radio Frequency Integrated Wi-Fi 6. Thi∏t k∏này s˚dˆng ki∏n trúc bÎkhu∏ch §iÏn Circuits Symposium. IEEE, 2009, pp. 365–368. [9] D. M. Pozar, Microwave Engineering 3e. Wiley, 2006, pp. 564–585. ˜Òc tËi˜u cßu trúc transistor và m§ch phËi hÒp trkháng [10] National Instruments. Introduction to 802.11ax high-efficiency wire- ∫ §t˜Òc hiªu sußt n´ng l˜Òng cao trong vùng tuy∏n tính. less. [Online]. Available: Thi∏t k∏ ã˜Òcánh giá vÓi mô ph‰ng Hamonic Balance, papers/16/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html [11] D. Bankov, A. Didenko, E. Khorov, and A. Lyakhov, “Ofdma uplink mô ph‰ng Î lÓn véc-tÏlÈi và cho k∏t qu£hiªu sußt cao lên scheduling in ieee 802.11 ax networks,” in 2018 IEEE International ∏n 58% vÓi hªsËkhu∏ch §i là 8, 6 dB. Conference on Communications (ICC). IEEE, 2018, pp. 1–6. ISBN: 978-604-80-5076-4 91