ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------------- NGUYỄN THÀNH VINH NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ PHẦN CAO TẦN CỦA MÁY PHÁT ZIGBEE CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 60.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Hoàng Đình Chiến 2. Nguyễn Minh Hoàng 3. Võ Quế Sơn Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.
HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -------------------- -------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH VINH ……………MSHV: 12144254 Ngày, tháng, năm sinh: 01/09/89………………………….Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử…………………………. TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ PHẦN CAO TẦN CỦA MÁY PHÁT ZIGBEE” II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu hệ thống ZigBee trong đó tập trung vào máy phát ZigBee băng tần ISM 2. Nghiên cứu, thiết kế hệ thống của máy phát ZigBee.
Nghiên cứu, thiết kế phần cao tần của máy phát Zigbee bao gồm mạch khuếch đại công suất, mạch driver, mạch trộn chuyển đổi tần lên, mạch bandgap reference. Layout các khối: mạch khuếch đại công suất, mạch driver, mạch trộn chuyển đổi tần lên và hệ thống. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 7/07/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 7/12/2014 V.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG Tp. HCM, ngày 07 tháng 12 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG TS.
HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG TRƯỞNG KHOA TS. ĐỖ HỒNG TUẤN LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trong bộ môn viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức quý báu để em hoàn thành tốt các môn học trong suốt khóa học. Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Huỳnh Phú Minh Cường, người đã chỉ bảo, hướng dẫn và góp ý chân thành để em hoàn thành luận văn này.
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thành viên trong nhóm “RFIC design” luôn lắng nghe và chia sẻ kinh nghiệm để em hoàn thiện thêm kiến thức cho bản thân mình. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình em học tại trường. Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 12 năm 2014 Học viên NGUYỄN THÀNH VINH ABSTRACT Zigbee is a standard of communication protocols for low data rate, short range wireless networks. Zigbee based wireless devices operate in 868 MHz, 915 MHz and 2.4GHz frequency bands.
The data rate of 250Kbps at 2.4 GHz frequency band. This standard is widely used applications including health care system and smart home. The Zigbee transmitter in this thesis is designed using Direct – Conversion architecture operating in 2.4GHz ISM frequency band. The transmitter consists of following main blocks: up conversion mixer, driver and power amplifier.
The up- conversion mixer is designed as a passive one to increase linearity and reduce the energy consumption of the circuit. The driver is designed with variable gain. The power amplifier is designed to work in the AB class. Advantages of class AB power amplifier are high linearity and efficiency.
The power amplifier in this thesis is designed the output to have power of 10dBm and the efficiency of higher than 30 percent. After being designed, the power amplifier has the gain of 22dB, the output power of 10dBm, 1dB compression point at Pin = -12. In addition, bandgap reference circuit also plays an important role in Zigbee transmitter. This circuit produces reference voltage of 1.2V to provide to all blocks of the transmitter for stable operation.
The Zigbee transmitter is designed, simulated and laidout using 180nm CMOS technology. i TÓM TẮT ZigBee là chuẩn giao tiếp truyền thông vô tuyến có cự ly ngắn và tốc độ truyền dữ liệu thấp. ZigBee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2. Tốc độ truyền dữ liệu theo chuẩn ZigBee ở tần số 2.4GHz là 250 Kbps.
Các ứng dụng theo tiêu chuẩn này đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế nhƣ hệ thống chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong việc điều khiển ngôi nhà thông minh… Máy phát ZigBee trong luận văn này đƣợc thiết kế theo cấu trúc Direct – Conversion hoạt động ở băng tần ISM 2. Máy phát đƣợc thiết kế bao gồm các khối chính sau: khối trộn chuyển đổi tần lên, khối driver, khối khuếch đại công suất. Khối trộn chuyển đổi tần lên đƣợc thiết kế theo kiểu thụ động để tăng độ tuyến tính và giảm nguồn năng lƣợng tiêu thụ trong mạch. Khối driver đƣợc thiết kế có thể thay đổi đƣợc độ lợi.
Mạch khuếch đại công suất đƣợc thiết kế thuộc lớp AB. Ƣu điểm của mạch công suất lớp AB là độ tuyến tính và hiệu suất cao. Trọng tâm của luận văn này là thiết kế mạch khuếch đại công suất có công suất phát là 10dBm và hiệu suất lớn hơn 30%. Mạch khuếch đại công suất sau khi đƣợc thiết kế có độ lợi khoảng 22dB, công suất ngõ ra 10dBm, điểm nén 1dB tại Pin = - 12.3102dBm, hiệu suất PAE = 32.
Ngoài ra, mạch bandgap reference cũng đóng vai trò quan trọng trong máy phát ZigBee. Mạch này tạo điện áp chuẩn 1.2V để cung cấp cho các khối trong hệ thống hoạt động ổn định. Bộ phát ZigBee đƣợc thiết kế, mô phỏng và layout theo công nghệ CMOS 180nm. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là sản phẩm do chính bản thân tôi thực hiện, không có sự sao chép kết quả trong bất cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trƣớc đây.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên. Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 12 năm 2014 Học viên thực hiện Nguyễn Thành Vinh iii MỤC LỤC ABSTRACT. ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .viii DANH MỤC BẢNG .xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. Giới thiệu luận văn.
Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Đóng góp của đề tài.
Bố cục trình bày luận văn. 4 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RFIC VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG CỰ LY NGẮN: IEEE 802. Tổng quan về công nghệ RFIC. Giới thiệu về tiêu chuẩn truyền thông không dây trong cự ly ngắn.
Giới thiệu về tiêu chuẩn IEEE 802. Khái niệm về tiêu chuẩn 802. Băng tần hoạt động của hệ thống Zigbee. Ứng dụng của chuẩn 802.
So sánh chuẩn 802.4/Zigbee với các tiêu chuẩn khác. 11 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ CẤU TRÚC BỘ PHÁT CỦA HỆ THỐNG ZIGBEE. Giới thiệu về bộ phát. Các kiểu cấu trúc của bộ phát.
Kiến trúc Direct Conversion. Kiến trúc Heterodyne .3 Kiến trúc bộ phát khác. Thiết kế cấu trúc bộ phát cho hệ thống Zigbee. Cấu trúc và các thông số của bộ phát Zigbee đã đƣợc công bố.
Đề xuất cấu trúc của bộ phát Zigbee để nghiên cứu. Thiết kế sơ bộ thông số các khối trong hệ thống sử dụng phần mềm AppCad. 17 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT. Giới thiệu về mạch khuếch đại công suất.
Khái niệm về mạch khuếch đại công suất Single Ended và mạch khuếch đại vi sai. Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại công suất. Điểm nén 1dB. Điểm chặn bậc 3 – IP3 (Third Intercept Point).
Công suất ngõ ra. Hệ số ổn định của mạch. Phân loại các dạng mạch khuếch đại công suất. Mạch khuếch đại công suất tuyến tính.
Khuếch đại công suất lớp A. Mạch khuếch đại công suất lớp B. Mạch khuếch đại công suất lớp AB. Mạch khuếch đại phi tuyến .1 Mạch khuếch đại công suất lớp C.
Mạch khuếch đại công suất lớp E. Các dạng mạch phối hợp, trở kháng. Mạch phối hợp trở kháng kiểu L. Mạch PHTK kiểu T.
Mạch PHTK kiểu . Phƣơng pháp phối hợp trở kháng ngõ ra mạch khuếch đại công suất dùng phƣơng pháp Load-pull. Thiết kế mạch khuếch đại công suất. Nguyên lý hoạt động của mạch cascode.
Thiết kế mạch phân cực cho mạch khuếch đại. Điều khiển mạch khuếch đại công suất sang trạng thái đợi (trạng thái ngủ). Thiết kế mạch khuếch đại công suất. Các bƣớc thiết kế mạch khuếch đại công suất.
Mô phỏng Load-pull. Kết quả mô phỏng và layout. Kết quả mô phỏng. Thiết kế mạch driver.
Các thông số cơ bản. Thiết kế mạch driver. Phối hợp trở kháng ngõ vào và ngõ ra của mạch driver. Kết quả mô phỏng và layout.
Kết quả mô phỏng:. Ghép nối mạch khuếch đại công suất, driver và kết quả mô phỏng. 64 CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ BỘ TRỘN CHUYỂN ĐỔI TẦN LÊN. Khái niệm cơ bản về bộ trộn chuyển đổi tần lên.
Cấu trúc của bộ trộn tần thụ động. Cấu trúc của bộ trộn tần tích cực. Mạch trộn tần cân bằng đơn. Mạch trộn tần cân bằng kép.
Các thông số cơ bản của bộ trộn chuyển đổi tần lên. Độ lợi chuyển đổi. Hệ số cách ly. Thiết kế bộ trộn chuyển đổi tần lên.
Thiết kế bộ trộn chuyển đổi tần lên đơn giản. Thiết kế bộ trộn chuyển đổi tần lên của hệ thống. Thiết kế mạch đệm. Mạch gƣơng dòng.
Thiết kế mạch đệm. Ghép nối bộ trộn tần với mạch đệm, kết quả mô phỏng và layout. Ghép nối bộ trộn tần và mạch đệm. Kết quả mô phỏng và layout.
Kết quả mô phỏng. 84 CHƢƠNG 6 THIẾT KẾ MẠCH BANDGAP REFERENCE. Giới thiệu về mạch bandgap reference. Thiết kế mạch bandgap reference.
Nguyên lý hoạt động của mạch bandgap reference .1 Mạch Start up. Thiết kế mạch bandgap reference. 94 CHƢƠNG 7 PHẦN CAO TẦN CỦA MÁY PHÁT ZIGBEE. Thiết kế phần cao tần của máy phát Zigbee.
Kết quả mô phỏng. 100 CHƢƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. Hƣớng phát triển của đề tài:. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
102 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sự phát triển các ứng dụng theo tiêu chuẩn 802.4 trong tƣơng lai .1 Qui trình thiết kế RFIC .2 Biểu đồ của các chuẩn truyền thông không dây truyền trong phạm vi ngắn .
