MỞ ĐẦU Khi xem xét hệ thống thu phát cao tần, ta thấy bộ lọc đóng vai trò hết sức quan trọng trong đƣờng truyền tín hiệu từ anten cho tới bộ xử lý tín hiệu. Bao gồm : bộ lọc thông dải, bộ lọc chống chồng phổ, bộ lọc chọn kênh. Có nhiều cách để phân loại bộ lọc nhƣ: dựa theo hàm truyền, theo các thành phần cấu thành nên bộ lọc, bộ lọc tích cực, bộ lọc thụ động, bộ lọc thông dải, bộ lọc chặn dải, bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao. Bộ lọc xử lý thời gian liên tục, thời gian rời rạc, bộ lọc tƣơng tự, bộ lọc số.
Trong lĩnh vực siêu cao tần thƣờng sử dụng bộ lọc LC, hoặc mạch dải. Các thiết bị thu phát di động cầm tay thƣờng sử dụng mạch lọc SAW (Surface Acoustic Filter) tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị ngày một nhỏ hơn thì việc tích hợp tất cả các khối/các mạch điện trong một IC đơn nhất (RF IC) đã đƣợc thực hiện. Chỉ có duy nhất bộ lọc siêu cao tần chƣa đƣợc tích hợp trên công nghệ CMOS. Luận văn với tiêu đề “thiết kế mô phỏng mạch lọc thông dải tích cực siêu cao tần băng S sử dụng công nghệ CMOS bằng phần mềm Cadence” trình bày cách thực hiện mạch lọc tích hợp trên công nghệ CMOS, và các kết quả mô phỏng thu đƣợc.
Bộ lọc thông dải tích cực đƣợc thiết kế và mô phỏng chip siêu cao tần trên công nghệ TSMC 0. Bộ lọc có tần số trung tâm có thể điều chỉnh đƣợc để đáp ứng cho các ứng dụng đa tiêu chuẩn (Multi Standard). Trƣớc khi xuất hiện mạch lọc tích cực thì các loại mạch lọc thụ động đƣợc thiết kế và ứng dụng rộng rãi: bộ lọc LC, bộ lọc mạch dải tập trung, bộ lọc tích cực sử dụng khuếch đại thuật toán (chỉ sử dụng đƣợc với tần số thấp hơn 100MHz), bộ lọc SAW trong đó bộ lọc SAW đƣợc sử dụng nhiều hơn cả trong các thiết bị thu phát bởi: chất lƣợng tốt, độ triệt cao tại vùng chặn dải, vùng chuyển tiếp có độ dốc lớn. Mach lọc thông dải tích cực đƣợc nghiên cứu trong luận văn bao gồm 2 bộ truyền dẫn (transconductor) mắc theo chiều ngƣợc nhau.
Với các ứng dụng khác, tụ điện kí sinh là nguy hiểm và góp phần làm giảm chất lƣợng của mạch điện. Tuy nhiên với cuộn cảm tích cực sử dụng transitor thì tụ điện kí sinh trên linh kiện đƣợc sử dụng để thay thế tụ cộng hƣởng. Lợi dụng tính chất cộng hƣởng này, tín hiệu điện áp lối vào qua một bộ chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện, dòng điện này đi vào cuộn cảm tích, nhƣ vậy mạch điện có tính chất chọn lọc tần số. Vì vậy đƣợc sử dụng nhƣ là bộ lọc.
Các phần trình bày trong luận văn bao gồm: Chƣơng 1. “Bộ lọc sử dụng trong viễn thông”, phần 1.1 trình bày về các ứng dụng viễn thông nhƣ : GSM, Bluetooth, WLAN, GPS, WiMax trong đó sử dụng các bộ lọc với đặc tính thế nào để đáp ứng yêu cầu cho từng ứng dụng. Trong đó bộ lọc SAW đƣợc sử dụng một cách rộng rãi.2 trình bày về hệ thống thu phát cao tần, trong đó nhấn mạnh vai trò và sự xuất hiện của bộ lọc nhƣ : bộ lọc thông dải, bộ lọc chống chồng phổ, bộ lọc triệt ảnh tần số, bộ lọc chọn dải. Các tiêu chuẩn phân loại bộ lọc khác nhau, các tham số đặc trƣng nhƣ hệ số tạp âm (NF), điểm nén 1dB, và các yêu cầu đối với bộ lọc nhƣ chặn tín hiệu trong dải, chặn tín hiệu ngoài dải.3 trình bày về công nghệ bán dẫn CMOS và các kiến thức liên quan.
Để thiết kế đƣợc mạch tƣơng tự CMOS cần hiểu về đặc tính I-V, tụ điện kí sinh .luận văn mô phỏng sử dụng công nghệ TSMC 0. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Chƣơng 2. Trình bày nguyên lý các mô hình mạch lọc tích cực, các cấu hình cuộn cảm tích cực. Các phƣơng trình tính giá trị cảm, tụ điện, và điện trở.
Cuộn cảm tích cực đƣợc mô hình hóa là mạch R,L,C song song. Các tiêu chuẩn và đặc tính của cuộn cảm tích cực. Trình bày thiết kế mạch lọc tích cực trên phần mềm cadence. Phƣơng pháp điều chỉnh tần số trung tâm, và kết quả mô phỏng trên miền tần số và miền thời gian.Điều chỉnh tần số bao gồm chỉnh thô và tinh chỉnh, chỉnh thô bằng cách thay đổi nguồn dòng cấp cho cuộn cảm, chỉnh tinh sẽ thay đổi điện áp nối với đế của tụ MOS, giá trị điện dung thay đổi theo điện áp dẫn đến tần số trung tâm thay đổi.
Băng tần S định nghĩa bởi tiêu chuẩn IEEE cho sóng cao tần trong dải từ 2GHz tới 4GHz. Băng tần S đƣợc sử dụng bởi các radar thời tiết, radar thuyền bề mặt và một vài vệ tinh truyền thông, đặc biệt sử dụng bởi NASA để trao đổi thông tin giữa tàu con thoi và trạ vũ trụ quốc tế (ISS). Tại Mỹ, FCC chứng nhận DARS ( Digital Audio Radio Satelite) trong băng S dải tần từ 2.36GHz, đang đƣợc sử dụng bởi Sirius XM Radio. Dải tần số 2.6GHz còn đƣợc sử dụng tại Trung Quốc để phát dịch vụ di động đa phƣơng tiện, đài vệ tinh và truyền hình di động.
Tại một số nƣớc băng tần S đƣợc sử dụng cho dịch vụ DTH ( Direct to Home satellite), không giống nhƣ dịch vụ tại hầu hết các nƣớc là dùng băng tần Ku. Dải tần cho dịch vụ này nằm trong vùng từ 2. Các thiết bị mạng không dây tƣơng thích với tiêu chuẩn IEEE 802.11g sử dụng phần 2.4GHz của băng tần S. Lò vi sóng hoạt động từ tần số 2495 hoặc 2450 MHz.16a sử dụng dải tần tại 3.
Tại Bắc Mỹ, 2.483Ghz là dải ISM sử dụng các thiết bị không đăng kí dải tần ví dụ nhƣ tai nghe không dây, bộ gửi video và các thiết bị điện tử gia dụng bao gồm Bluetooth dải tần từ 2. Cuộn cảm tích cực và mạch lọc tích cực thể hiện nhiều ƣu điểm so với cách thiết kế cuộn cảm thụ động truyền thống ( đó là các vòng dây kim loại), nghiên cứu và tối ƣu cuộn cảm tích cực sẽ mở ra khả năng thay thế cuộn cảm ví nhƣ trong bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ tạo dao động, bộ VCO, bộ trộn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 CHƢƠNG 1.BỘ LỌC SỬ DỤNG TRONG VIỄN THÔNG 1.1 MỘT SỐ ỨNG DỤNG VIỄN THÔNG 1.1 Hệ thống di động 2G/3G/4G Hệ thống thông tin di động đóng vai trò quan trọng trong thị trƣờng viễn thông với hàng tỉ ngƣời sử dụng trên toàn thế giới ( 3 tỉ năm 2008 và 4 tỉ năm 2009). Bắt đầu với thế hệ thông tƣơng tự thứ nhất 1G, tiếp theo là thế hệ số 2G, 3G ngày nay 4G đang đƣợc triển khai thử nghiệm.
Trong khi hệ thống 2G chỉ tập trung vào việc truyền tín hiệu thoại, hệ thống 3G truyền cả thoại và dữ liệu với giá thành thấp và dịch vụ internet tốc độ cao thông qua kết nối di động. Dịch vụ bổ sung chủ yếu cho mạng 3G bao gồm : truyền hình di động (Mobile TV) , hội nghị từ xa (tele conference) , truyền hình theo yêu cầu (VOD). Cuộc cách mạng trong công nghệ di động từ pha thứ hai sang pha thứ 3 đƣợc minh họa trên hình 1.1 trong khi phân bổ tần số. Bảng 1 Tổng quan về tiêu chuẩn không dây 3G Với các dải tần số 3G khác nhau ( 8 dải tần số) trên toàn thế giới làm cho việc chế tạo các thiết bị đầu cuối trở nên khó khăn hơn.
Tại Châu Âu, tần số 2100 MHz (W- CDMA) đƣợc thiết lập với tên gọi dải UMTS, 1920-1980 MHz cho đƣờng lên (up link) và 2110-2170 MHz cho đƣờng xuống (down link). Kiến thức về phân bổ tần số này rất quan trọng trong thiết kế bộ thu phát cao tần trong các thiết bị đầu cuối phục vụ cho 2G, 2. Do một số lƣợng lớn các bộ lọc SAW đƣợc sử dụng, dẫn đến nhƣợc điểm là giá thiết bị đầu cuối cao. Hơn nữa yêu cầu về độ triệt ngoài dải là nghiêm ngặt đối với các tiêu chuẩn không dây khác.
Sau đây là ví dụ đáp ứng tần số của bộ lọc SAW thoản mãn yêu cầu phổ EGSM với dải tần từ 925-960MHz ( tần số trung tâm 942. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Hình 1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW EGSM Bộ lọc SAW thỏa mãn yêu cầu phổ W-CDMA với dải tần từ 2110-2170 MHz ( f0=2140MHz). Hình 2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WCDMA 1.2 Tiêu chuẩn LAN không dây (WLAN) Một mạng LAN không dây là hệ thống viễn thông cung cấp dịch vụ truy cập tới các thiết bị không dây cẩm tay sử dụng sóng vô tuyến bao gồm : máy tính để bàn, laptop, PDAs, điện thoại di động, camere, máy in.Công nghệ WLAN đƣợc qui định bởi họ tiêu chuẩn IEEE 802. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Bảng 2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW thỏa mãn phổ tần WLAN ( IEEE 802.11 b/g) với dải tần 2400-2483.75 MHz) Hình 3 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW WLAN Hình 4 Đáp ứng tần số bộ lọc SAW, f0=5775 MHz 1.3 Tiêu chuẩn Bluetooth Bluetooth là hệ thống viễn thông cho phép giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn ( nhỏ hơn 10m) làm việc trong dải tần số (2.
Thiết bị thu phát bluetooth làm việc trong môi trƣờng nhiễu. Bảng 3 Tiêu chuẩn Bluetooth LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Ứng dụng GPS Một trong những cột mốc quan trọng trong lịch sử loài ngƣời sau khi thực hiện hệ thống viễn thông là hệ thống vệ tính định vị toàn cầu (GNSS – Global Navigation Satellite Systems) cho phép bất kì ngƣời dùng nào có thể biết vị trí của họ trên trái đất nhờ vào hệ thống vệ tinh. Hệ thống đầu tiên đầy đủ định vị vị trí là hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ (GPS) đƣợc phát triển bởi bộ quốc phòng. Hệ thống thứ 2, GLONASS, phát triển bởi Xô Viết đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống back up cho GPS của Mỹ.
Cả 2 hệ thống đƣợc phát triển cho mục đích quân sự nhƣng họ vẫn cho phép truy cập phục vụ mục đích dân sự. Tần số vệ tinh đƣợc chọn trong dải tần từ 1GHz tới 2GHz để lỗi truyền qua tầng ion là nhỏ nhất. Hệ thống GPS làm việc trong dải tần số L2(1215-1240MHz) và L1(1559-1610 MHz).5 Ứng dụng WiMAX Mục đích của WiMAX dựa trên tiêu chuẩn là cho phép internet di động từ lớp vật lý sang lớp mạng.