Tiêu chuẩn Wi-Fi 6 là tiêu chuẩn Wi-Fi thế hệ mới được phát triển để hỗ trợ cho các ứng dụng IoT tốc độ cao như thực tế ảo, hệ thống điều khiển công nghiệp và camera quan sát chất lượng cao. Bài viết trình bày việc đề xuất một thiết kế khuếch đại công suất tuyến tính có hiệu suất cao dựa trên công nghệ TSMC 65nm tại tần số 2,4 GHz cho các ứng dụng IoT sử dụng chuẩn Wi-Fi 6.
Trang 1Thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i công sußt cao t¶n hiªu sußt cao trên công nghª CMOS 65nm cho các ˘ng dˆng
IoT tËc Î 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 phË Hu∏
E-mail liên hª: hieubd@vnu.edu.vn
Tóm t≠t—Tiêu chu©n Wi-Fi 6 là tiêu chu©n Wi-Fi th∏ hª mÓi
˜Òc phát tri∫n ∫ hÈ trÒ cho các ˘ng dˆng IoT tËc Î cao nh˜
th¸c t∏ £o, hª thËng i∑u khi∫n công nghiªp và camera quan
sát chßt l˜Òng cao ∫ §t ˜Òc tËc Î cao, Wi-Fi 6 s˚ dˆng
kˇ thu™t i∑u ch∏ QAM nhi∑u i∫m và a truy c™p phân chia
theo t¶n sË tr¸c giao (OFDMA) Viªc s˚ dˆng tín hiªu có biên
Î thay Íi và a t¶n sË òi h‰i bÎ khu∏ch §i công sußt ph£i
tuy∏n tính nh˜ng d®n ∏n hiªu sußt thßp Trong nghiên c˘u này,
chúng tôi ∑ xußt mÎt thi∏t k∏ khu∏ch §i công sußt tuy∏n tính có
hiªu sußt cao d¸a trên công nghª TSMC (Taiwan Semiconductor
Manufacturing Company) 65nm t§i t¶n sË 2,4 GHz cho các ˘ng
dˆng IoT s˚ dˆng chu©n Wi-Fi 6 Thi∏t k∏ ˜Òc ∑ xußt s˚ dˆng
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
n´ng l˜Òng lÓn và diªn tích ph¶n c˘ng nh‰ K∏t qu£ mô ph‰ng
cho thßy bÎ khu∏ch §i công sußt này ho§t Îng ch∏ Î tuy∏n
tính (ch∏ Î A) vÓi công sußt lËi ra 21,8 dBm, hiªu sußt 45%.
T¯ khóa—Wi-Fi 6, RFIC, khu∏ch §i công sußt tuy∏n tính.
I GIŒI THIõU Wi-Fi 6 là tiêu chu©n Wi-Fi th∏ hª ti∏p theo hay còn ˜Òc
bi∏t ∏n là tiêu chu©n IEEE 802.11ax trong bÎ giao th˘c
WLAN Tiêu chu©n này qui ‡nh th¸c hiªn a truy c™p phân
chia theo t¶n sË tr¸c giao OFDMA (Orthogonal Frequency
Devision Multiple Access) cho các kênh ˜Ìng lên và kênh
˜Ìng xuËng giúp cho viªc truy∑n d˙ liªu hiªu qu£ và linh
ho§t hÏn các th∏ hª tr˜Óc OFDMA cho kênh ˜Ìng lên là
mÎt tính n´ng mÓi rßt quan trÂng cıa Wi-Fi 6 vì nó cho phép
các thi∏t b‡ trong m§ng truy∑n d˙ liªu vÓi tËc Î cao hÏn ∞c
biªt, OFDMA phân chia các kênh t¶n sË và thÌi gian thành
các khËi tài nguyên hiªu qu£ hÏn, có th∫ ˜Òc s˚ dˆng ∫
truy∑n d˙ liªu cùng lúc bi nhi∑u thi∏t b‡ hÏn Do ó, các bÎ
‡nh tuy∏n Wi-Fi 6 có th∫ phˆc vˆ Áng thÌi nhi∑u thi∏t b‡
IoT vÓi tËc Î d˙ liªu khác nhau, phù hÒp vÓi không gian có
i∑u kiªn ph˘c t§p và nhi∑u thi∏t b‡ k∏t nËi vào m§ng không
dây nh˜ t§i gia ình ho∞c v´n phòng [1]
i∑u ch∏ OFDM cung cßp hiªu sußt cao cho các thi∏t b‡
trong m§ng Wi-Fi 6 Nó s˚ dˆng i∑u ch∏ 1024QAM và sóng
mang con tr¸c giao ∫ truy∑n tín hiªu; do ó, t lª công sußt
ønh trên công sußt trung bình (PAPR - Peak to Average Power
Ratio) rßt cao Kênh truy∑n OFDM yêu c¶u bÎ khu∏ch §i công
sußt (PA - Power Amplifier) có Î tuy∏n tính cao ∫ truy∑n tín hiªu toàn vµn [2] Tuy nhiên, PA tuy∏n tính th˜Ìng có hiªu sußt thßp hÏn các lo§i khác nên tiêu thˆ nhi∑u iªn n´ng hÏn Thi∏t k∏ các PA tuy∏n tính vÓi hiªu qu£ cao là rßt quan trÂng
Ëi vÓi các thi∏t b‡ di Îng và IoT (Internet of Thing) s˚ dˆng chu©n Wi-Fi 6
G¶n ây, các nhà thi∏t k∏ có xu h˜Óng phát tri∫n các
bÎ khu∏ch §i d¸a trên công nghª CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) ∫ dπ dàng tích hÒp vào chip, t¯ ó ˜a Wi-Fi 6 vào các thi∏t b‡ IoT và di Îng Công nghª này có chi phí thßp và m™t Î tích hÒp cao, rßt hiªu qu£ khi tích hÒp khËi thu phát cao t¶n vÓi các khËi x˚ l˛ tín hiªu b´ng c s (PHY - Physical) và khËi liên k∏t d˙ liªu (MAC) thành mÎt hª thËng trên chip (SoC - System on Chip) [3] Tuy nhiên, nh˜Òc i∫m cıa công nghª CMOS là dπ mßt mát n´ng l˜Òng
và iªn áp nguÁn nuôi thßp khi∏n viªc thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i tuy∏n tính vÓi hiªu sußt cao trên công nghª này v®n còn nhi∑u thách th˘c
Theo các nghiên c˘u g¶n ây, bÎ khu∏ch §i CMOS ang
˜Òc thi∏t k∏ theo các h˜Óng tích hÒp b´ng t¶n kép (2,4 GHz
và 5 GHz), nâng cao Î tuy∏n tính và t´ng hiªu sußt s˚ dˆng n´ng l˜Òng Các bÎ khu∏ch §i công sußt [4] và [5] ˜Òc thi∏t k∏ ∫ ho§t Îng b´ng t¶n kép Các công trình này ∑ xußt cßu trúc phËi hÒp tr kháng vÓi lËi ra có th∫ cßu hình l§i theo mong muËn, nh¨m mˆc ích áp ˘ng hai b´ng t¶n trên mÎt
˜Ìng truy∑n sóng duy nhßt và chi∏m diªn tích th¸c thi ph¶n c˘ng nh‰ hÏn so vÓi viªc s˚ dˆng hai bÎ khu∏ch §i Ïn t¶n
∫ th¸c hiªn ˜Òc i∑u ó, nh˙ng thi∏t k∏ này s˚ dˆng nhi∑u linh kiªn thˆ Îng ∫ cßu hình m§ch bi∏n Íi tr kháng lËi ra,
vì v™y hiªu sußt n´ng l˜Òng không cao Thi∏t k∏ trong công trình [6] và [7] là các bÎ khu∏ch §i kh£ trình vÓi nhi∑u ch∏
Î ∫ c£i thiªn hiªu sußt cıa bÎ khu∏ch §i tuy∏n tính Tuy nhiên, nh˙ng thi∏t k∏ này khá ph˘c t§p và suy hao chèn cıa linh kiªn lÓn; vì v™y, hiªu sußt t˘c thÌi ch∏ Î tËt nhßt chø
§t kho£ng 25%
Tr˜Óc ây, nhi∑u nghiên c˘u ã thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i có
Î tuy∏n tính cao, hiªu sußt tËt trong khi v®n có diªn tích th¸c thi ph¶n c˘ng nh‰ Thi∏t k∏ [8] ã s˚ dˆng bÎ chuy∫n Íi tr kháng hiªu sußt cao ∫ phËi hÒp tr kháng, hiªu sußt t˘c thÌi
Trang 2cıa viªc chuy∫n Íi iªn n´ng thành sóng iªn t¯ cıa t¶ng
khu∏ch §i công sußt §t 52% Thi∏t k∏ [3] s˚ dˆng kˇ thu™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 bÎ khu∏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∏ bÎ khu∏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 BÎ khu∏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, bÎ khu∏ch §i ∑ xußt
có công sußt lËi ra 21,8 dBm và hiªu sußt 45% trong vùng
ho§t Îng 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 bÎ khu∏ch
§i ∑ xußt Ph¶n III ˜a ra các k∏t qu£ mô ph‰ng CuËi cùng
là mÎt sË k∏t lu™n t§i ph¶n IV
II TH‹C THI MÑCH IõN
Hình 1 SÏ Á khËi khu∏ch §i cao t¶n bên phát.
Hình 1 bi∫u diπn sÏ Á cıa khËi khu∏ch §i cao t¶n thông
th˜Ìng SÏ Á bao gÁm: bÎ khu∏ch §i công sußt (PA) cung
cßp công sußt cao cho tín hiªu tr˜Óc khi ˜a ra ´ng-ten, bÎ
khu∏ch §i ªm (DA - Driven Amplifier) cung cßp n´ng l˜Òng
lËi vào cho PA ∫ t´ng hª sË khu∏ch §i hª thËng, và các m§ch
bi∏n Íi tr kháng gi˙a các t¶ng M§ch phËi hÒp tr kháng
˜Òc chÂn vì suy hao chèn cıa ph˜Ïng pháp này nh‰ hÏn mÎt
sË m§ch bi∏n Íi tr kháng khác, giúp làm t´ng hiªu sußt n´ng
l˜Òng cıa hª thËng
Bài báo t™p trung vào viªc thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i công sußt
Ïn d¸a trên RFIC (Radio Frequency Intergrated Circuit) do
thi∏t k∏ này có cßu trúc Ïn gi£n, gi£m Î ph˘c t§p cıa m§ch,
trong khi v®n §t ˜Òc các yêu c¶u kˇ thu™t c¶n thi∏t Tuy
nhiên, trong tr˜Ìng hÒp công sußt lÓn, các thi∏t k∏ bÎ khu∏ch
§i Ïn c¶n ˜Òc quan tâm tÓi kh£ n´ng ch‡u t£i do toàn bÎ
công sußt khu∏ch §i cıa m§ch chø i qua mÎt kênh d®n
A Cßu hình transistor
∫ áp ˘ng yêu c¶u công sußt tín hiªu vô tuy∏n cıa các thi∏t
b‡ IoT, transistor ˜Òc cßu hình vÓi 80 kênh d®n song song
vÓi chi∑u rÎng và chi∑u dài mÈi kênh l¶n l˜Òt là , = 0, 8 <<
và ! = 500 =< Transistor này ho§t Îng d˜Ói iªn áp nguÁn
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.
nuôi là 3,3 V VÓi cßu hình này, transistor ho§t Îng iªn
áp hiªu n´ng cao và có kích th˜Óc lÓn hÏn, c˜Ìng Î dòng iªn t§i ønh lên ∏n 400 mA ch§y qua các kênh d®n Do ó, transistor c¶n ˜Òc cách ly vÓi chßt n∑n P-sub ∫ tránh hiªn t˜Òng dòng rò và suy hao công sußt Hình 2 là thi∏t k∏ cıa transistor trong bÎ khu∏ch §i công sußt sau khi th¸c hiªn mÎt
sË tùy chønh
Nh¨m mˆc ích nâng cao hiªu n´ng khu∏ch §i công sußt, kênh d®n cıa transistor ˜Òc thi∏t k∏ óng kín và cách ly vÓi chßt n∑n trên æa bán d®n CMOS Thi∏t k∏ này s˚ dˆng transistor lo§i N và tùy chønh ∫ nó ho§t Îng m˘c công sußt cao Transistor s˚ dˆng lÓp oxit kim lo§i dày và chi∑u dài kênh 500 nm ∫ ho§t Îng vÓi iªn áp cao hÏn (3,3 V) Deep N-Well (DNW) là lÓp phı bên d˜Ói bóng bán d®n ˜Òc s˚ dˆng ∫ cách ly gi˙a transistor và chßt n∑n LÓp N-Well (NW) (Hình 2(a)) bao bÂc xung quanh transistor ˜Òc k∏t nËi vÓi DNW và th∏ n∑n ∫ lÓp cách ly có iªn tích trung hòa Bên trong vòng NW, lÓp bán d®n P-Well (PW) ˜Òc k∏t nËi bi mÎt vòng b£o vª (guard-ring) ∫ thiên áp cho c¸c B Vòng b£o vª cÙng giúp cho viªc cßu hình transistor không làm £nh h˜ng ∏n lu™t thi∏t k∏
Trong thi∏t k∏ này, transistor công sußt c¶n ph£i tinh chønh hÒp l˛ ∫ §t ˜Òc hiªu qu£ mong muËn cÙng nh˜ £m b£o
Trang 3không vi ph§m các lu™t thi∏t k∏ Th™t v™y, các transistor có
diªn tích quá lÓn s≥ gây khó kh´n khi trung hòa iªn tích lÓp
bán d®n (PW-Hình 2(d)) Do ó, c¶n thi∏t k∏ mÎt vòng b£o vª
iªn áp (guard-ring, Hình 2(c)) xung quanh transistor và k∏t
nËi nó vÓi lÓp PW ∫ £m b£o c¸c B có iªn áp g¶n b¨ng
không T˜Ïng t¸, mÎt vòng b£o vª (Hình 2(b)) cÙng ˜Òc
thi∏t k∏ ∫ trung hòa iªn áp cho lÓp cách ly NW và DNW
(Hình 2(a)), ∫ £m b£o r¨ng chúng có ∞c i∫m t˜Ïng t¸ chßt
cách iªn Ngoài ra, ∫ tránh iªn dung k˛ sinh t§i lËi vào
(c¸c G) và lËi ra (c¸c D) cıa transistor, các k∏t nËi (Hình 2(e))
ã ˜Òc thi∏t k∏ m‰ng i nh˜ng không làm t´ng giá tr‡ iªn
tr
B M§ch phËi hÒp tr kháng
Hình 3 K∏t qu£ mô ph‰ng load-pull.
Trong thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i, viªc ¶u tiên c¶n làm là xem
xét tính Ín ‡nh cıa bÎ khu∏ch §i Trong bÎ khu∏ch §i cao
t¶n tính Ín ‡nh ˜Òc ánh giá thông qua hai chø sË ⌫
N∏u hai chø sË này th‰a mãn ( > 1) (⌫ > 0) thì bÎ khu∏ch
§i là Ín ‡nh không i∑u kiªn [9] Tuy nhiên, vÓi transistor
˜Òc thi∏t k∏ ph¶n II-A d®n ∏n bÎ khu∏ch §i không là Ín
‡nh không i∑u kiªn Vì v™y, viªc ¶u tiên khi thi∏t k∏ bÎ
khu∏ch §i là t´ng iªn tr c¸c ⌧ b¨ng cách m≠c nËi ti∏p vÓi
c¸c ⌧ iªn tr ' = 8⌦ (do iªn tr c¸c ⌧ cıa transistor ban
¶u nh‰, 2⌦, gây ra bi Î rÎng kênh cıa transistor lÓn và
nhi∑u kênh d®n ˜Òc ghép song song) B¨ng cách m≠c thêm
iªn tr, vùng Ín ‡nh lËi vào và lËi ra ã ˜Òc m rÎng ra
toàn bÎ Á th‡ Smith Nh˜ v™y, £m b£o bÎ khu∏ch §i là Ín
‡nh
Vùng ho§t Îng tuy∏n tính cıa bÎ khu∏ch §i công sußt
˜Òc xác ‡nh bi i∫m nén 1 dB (%13⌫) ∫ t´ng hiªu sußt
cıa vùng tuy∏n tính, m§ch phËi hÒp tr kháng ph£i ˜Òc thi∏t
k∏ ∫ kéo i∫m %13⌫ g¶n vÓi i∫m công sußt bão hòa (%B0C)
Mô ph‰ng load-pull là ph˜Ïng pháp phÍ bi∏n ∫ xác ‡nh tr
kháng t£i tËi ˜u (/> ?C) cho các ∞c tr˜ng cıa bÎ khu∏ch §i
nh˜ hª sË khu∏ch §i (Gain), công sußt lËi ra (%>DC) và hiªu sußt Trong thi∏t k∏ này, hai ∞c tr˜ng v∑ công sußt lËi ra và
hª sË khu∏ch §i ˜Òc ˜a ra cân nh≠c khi mô ph‰ng Hình 3 trình bày k∏t qu£ cıa mô ph‰ng load-pull ã th¸c hiªn, trong
ó, ˜Ìng Áng m˘c công sußt là các ˜Ìng nét li∑n và ˜Ìng Áng m˘c hª sË khu∏ch §i là các ˜Ìng nét ˘t D¸a trên k∏t qu£ cıa mô ph‰ng load-pull, tr kháng tËi ˜u /> ?C ˜Òc chÂn
là 21 ⌦ ∫ bÎ khu∏ch §i có hª sË khu∏ch §i 9 dB, §t công sußt lËi ra 22,3 dBm t§i i∫m nén %13⌫ và hiªu sußt tËi a
là 48% Ëi vÓi các mô ph‰ng trên sÏ Á m§ch iªn l˛ t˜ng M§ch phËi hÒp tr kháng s˚ dˆng các thành ph¶n thˆ Îng
∫ bi∏n Íi tr kháng lËi ra cıa bÎ khu∏ch §i thành tr kháng lËi vào cıa ´ng ten (50 ⌦) CuÎn c£m trên công nghª CMOS
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 rßt áng k∫ Hª sË ph©m chßt (&factor) và Î t¸ c£m (L)
là hai tham sË chính cıa cuÎn c£m Hª sË &factorcàng 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 sË l˜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, &factor=16) Qua mô ph‰ng vÓi sÏ Á m§ch iªn, công sußt lËi ra t§i i∫m %13⌫ là 21,8 dBm
Hình 4 M§ch phËi hÒp tr kháng lËi ra.
Nh˜ ã ∑ c™p ph¶n tr˜Óc, thi∏t k∏ [4] s˚ dˆng nhi∑u linh kiªn thˆ Îng cho m§ch bi∏n Íi tr kháng ( ∞c biªt là cuÎn c£m, bÎ chuy∫n Íi tr kháng) ∫ truy∑n hai b´ng t¶n trên mÎt
˜Ìng truy∑n sóng, do ó hiªu sußt n´ng l˜Òng không tËt Viªc l¸a chÂn ph˜Ïng pháp phËi hÒp tr có suy hao chèn nh‰ có th∫ t´ng ˜Òc hiªu sußt ho§t Îng cıa bÎ khu∏ch §i Th™t v™y, suy hao chèn cıa bÎ bi∏n Íi tr kháng lÓn hÏn so vÓi m§ch phËi hÒp tr kháng s˚ dˆng các ph¶n t˚ t™p trung [2] M§ch bi∏n
Íi tr kháng lËi ra trong nghiên c˘u [4] bao gÁm ba cuÎn c£m !1(0, 978 = ; & = 14, 74), !20(1, 375 = ; & = 12, 07)
và !21(1 = ; & = 13) t§i t¶n sË 2,4 GHz, ây là nguyên nhân chính làm t´ng suy hao chèn trong ˜Ìng truy∑n và gi£m hiªu sußt hª thËng Trong thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i công sußt, gi£m
sË l˜Òng và giá tr‡ cıa cuÎn c£m là mßu chËt ∫ §t ˜Òc hiªu sußt cao
Trang 4III CÁC KòT QUÉ MÔ PHƒNG
BÎ khu∏ch §i công sußt ˜Òc thi∏t k∏ d¸a trên công nghª
CMOS 65nm GPlus cıa hãng TSMC, s˚ dˆng bÎ công cˆ
thi∏t k∏ ph¶n c˘ng Custom Compiler t¯ hãng Synopsys Thi∏t
k∏ ã ˜Òc mô ph‰ng b¨ng ch˜Ïng trình mô ph‰ng ph¶n c˘ng
HSPICE vÓi sÏ Á m§ch iªn, mô hình transistor ˜Òc trích
xußt t¯ thi∏t k∏ layout vÓi các thông sË t¯ mô hình BSIM4
˜Òc cung cßp bi hãng TSMC ∫ ánh giá hiªu sußt cıa PA
˜Òc ∑ xußt, chúng tôi th¸c hiªn mô ph‰ng a hài Hamornic
Balance (HB), mô ph‰ng tuy∏n tính (LIN) và mô ph‰ng Î
lÓn cıa véc-tÏ lÈi (EVM) Trong ph¶n này, chúng tôi s≥ trình
bày k∏t qu£ cıa các mô ph‰ng ã ˜Òc th¸c hiªn
A Mô ph‰ng a hài
Hiªu sußt khu∏ch §i ˜Òc ánh giá b¨ng cách s˚ dˆng mô
ph‰ng a hài Công sußt tín hiªu lËi vào (%8=) ˜Òc i∑u chønh
theo chi∑u t´ng d¶n t¯ 0 dBm ∏n 16 dBm Các thông sË ˜Òc
xem xét bao gÁm hª sË khu∏ch §i (Gain), hiªu sußt và công
sußt tín hiªu t§i lËi ra Hình 5 bi∫u diπn mËi liên hª cıa các
tham sË này vÓi công sußt tín hiªu lËi vào Hiªu sußt ˜Òc xác
‡nh bi t sË gi˙a công sußt tín hiªu lËi ra %>DC và công sußt
˜Òc cung cßp bi 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 t lª cıa công sußt t´ng thêm (%>DC %8=)
và công sußt nguÁn nuôi.Hª sË khu∏ch §i là t sË gi˙a công
sußt tín hiªu lËi ra %>DC so vÓi công sußt tín hiªu lËi vào %8=
BÎ khu∏ch §i công sußt (PA) có hª sË khu∏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 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 hiªu i∑u ch∏ tËi a là 1024 QAM và
b´ng thông kênh là 20 MHz vÓi Î phân gi£i i∑u ch∏ 64
QAM [10] Ëi vÓi các thi∏t b‡ di Îng và IoT, kênh ˜Ìng
lên ˜Òc chia thành các khËi tài nguyên cho nhi∑u thi∏t b‡ có b´ng thông nh‰ hÏn 20 MHz [11] Trong mô ph‰ng này này, chúng tôi th¸c hiªn ki∫m tra Î lÓn véc-tÏ lÈi (EVM - Error Vector Magnitude) và t sË công sußt rò kênh lân c™n (ACLR
- Adjacent Channel Leakage Power Ratio) vÓi b´ng thông là
20 MHz và Î phân gi£i i∑u ch∏ là 64 QAM ∫ ánh giá ∞c tính kênh truy∑n cıa bÎ khu∏ch §i công sußt ∑ xußt Hình 6 th∫ hiªn giá tr‡ EVM so vÓi công sußt lËi ra Ëi vÓi tín hiªu OFDM VHT20, MSC5 vÓi b´ng thông 20 MHz
và Î phân gi£i i∑u ch∏ là 64 QAM ∫ £m b£o chßt l˜Òng cıa tín hiªu trên kênh truy∑n (không gây nhiπu liên k˛ t¸), EVM tËi thi∫u cho Î phân gi£i i∑u ch∏ 64 QAM và t lª
mã hóa kênh 5/6 là 28 dB BÎ khu∏ch §i này có công sußt
lËi ra trung bình là 16, 3 dBm Ëi vÓi EVM nh‰ hÏn 28 dB Hình 7 th∫ hiªn ˜Ìng biên và phÍ t¶n sË Ëi vÓi công sußt lËi
ra trung bình là 18, 73 dBm t§i t¶n sË sóng mang 2,442 GHz (kênh 7 cıa WiFi) K∏t qu£ này cho thßy tín hiªu sau khi qua
bÎ khu∏ch §i không gây nhiπu liên k˛ t¸ cho các kênh khác cùng tÁn t§i do n¨m d˜Ói giÓi h§n ACLR
Hình 6 Mô ph‰ng kênh truy∑n vÓi thông l˜Òng 54 Mbps.
Hình 7 ˜Ìng biên và phÍ t¶n sË trên kênh truy∑n.
Trang 5C ∞c tr˜ng cıa m§ng hai cÍng và tính Ín ‡nh cıa hª thËng
CuËi cùng, tr˜Óc khi k∏t lu™n bÎ khu∏ch §i công sußt ho§t
Îng tËt t§i t¶n sË cao, các tham sË cıa ma tr™n tán x§ S và
hª sË Ín ‡nh ph£i ˜Òc trích xußt ∫ ánh giá các tính chßt
cıa m§ng hai cÍng và tính Ín ‡nh cıa hª thËng
Trên th¸c t∏ lËi vào cıa bÎ khu∏ch §i công sußt s≥ ˜Òc
phËi hÒp tr kháng vÓi lËi ra cıa bÎ khu∏ch §i ªm Tuy
nhiên, trong mô ph‰ng này, bÎ khu∏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 bÎ khu∏ch §i
Hình 8 bi∫u diπn các tham sË cıa ma tr™n tán x§ S gÁm
(11, (12, (21, (22 Nh™n xét chung, bÎ khu∏ch §i ho§t Îng
trong mi∑n t¶n sË t¯ 2-3 GHz vÓi hª sË khu∏ch §i (21=12dB,
hª sË truy∑n ng˜Òc (12 <-25 dB ch˘ng t‰ bÎ khu∏ch §i có
tính Ïn h˜Óng cao, hª sË ph£n x§ lËi vào trong d£i ho§t Îng
nh‰, (11 < 14 dB
Hình 8 Thông sË cıa ma tr™n ph£n x§ S.
Tính Ín ‡nh cıa hª thËng ˜Òc ki∫m tra thông qua hai hª
sË Ín ‡nh là và ⌫ [2] Thông th˜Ìng, khi hª sË > 1 và
hª sË ⌫ > 0 thì hª thËng ˜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 hª sË và ⌫
trong d£i t¶n sË t¯ 2-3 GHz Có th∫ thßy r¨ng, hª sË > 1, 3
và ⌫ > 0, 4 t§i vùng t¶n sË 2-3 GHz Do ó, có th∫ k∏t lu™n
r¨ng, bÎ khu∏ch §i ho§t Îng 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 bÎ khu∏ch
§i ∑ xußt vÓi các công trình ã ˜Òc công bË tr˜Óc ây, gÁm:
%B0C, %C 1 >DC@ 28 dB EVM), hª sË khu∏ch §i và hiªu sußt
tËi a cıa bÎ khu∏ch §i Các bÎ khu∏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 bÎ PA có kh£ n´ng
cßu hình l§i, b´ng t¶n kép Trong khi ó, nghiên c˘u [6] trình
bày mÎt bÎ khu∏ch §i kh£ trình có th∫ ho§t Îng nhi∑u ch∏
Î ∫ nâng cao hiªu sußt BÎ khu∏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
sußt cao nhßt M∞c dù thi∏t k∏ ánh Íi hª sË khu∏ch §i ∫
Hình 9 Tính Ín ‡nh cıa bÎ khu∏ch §i.
§t ˜Òc hiªu sußt n´ng l˜Òng lÓn hÏn nh˜ng nó v®n áp ˘ng yêu c¶u thi∏t k∏ vÓi hª sË khu∏ch §i là 8, 6 dB (không tính
∏n m§ch m§ch phËi hÒp tr kháng lËi vào) Trên th¸c t∏ hª
sË khu∏ch §i có th∫ ˜Òc c£i thiªn b¨ng cách s˚ dˆng thêm mÎt bÎ khu∏ch §i ªm phù hÒp vÓi thi∏t k∏ cıa hª thËng Layout cıa bÎ khu∏ch §i công sußt ∑ xußt ˜Òc trình bày trên Hình 10 Diªn tích th¸c thi ph¶n c˘ng kho£ng 0, 16 <<2, cho thßy ây là mÎt thi∏t k∏ ti∏t kiªm ˜Òc chi phí khi ch∏ t§o
Hình 10 Layout cıa bÎ khu∏ch §i công sußt ∑ xußt.
Trang 6B£ng I
S O SÁNH VŒI CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CŸU LIÊN QUAN
K∏t qu£ o §c Mô ph‰ng o §c Mô ph‰ng
% 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 sË khu∏ch §i 9 dB 8 dB 12 dB 8,6 dB
Hiªu sußt tËi a 30% 25%
(PA+DA) 52,2% 58%
Lo§i bi∏n Íi tr
iªn áp nguÁn 2,5 V 1,8 V 3,3 V 3,3 V
IV KòT LUäN Trong nghiên c˘u này, mÎt thi∏t k∏ bÎ khu∏ch §i công sußt
siêu cao t¶n tuy∏n tính hiªu sußt cao d¸a trên công nghª TSMC
65nm ã ˜Òc th¸c hiªn BÎ khu∏ch §i phù hÒp vÓi các ˘ng
dˆng IoT b´ng t¶n 2,4 GHz ∫ khai thác lÒi ích t¯ tiêu chu©n
Wi-Fi 6 Thi∏t k∏ này s˚ dˆng ki∏n trúc bÎ khu∏ch §i Ïn
˜Òc tËi ˜u cßu trúc transistor và m§ch phËi hÒp tr kháng
∫ §t ˜Òc hiªu sußt n´ng l˜Òng cao trong vùng tuy∏n tính
Thi∏t k∏ ã ˜Òc ánh giá vÓi mô ph‰ng Hamonic Balance,
mô ph‰ng Î lÓn véc-tÏ lÈi và cho k∏t qu£ hiªu sußt cao lên
∏n 58% vÓi hª sË khu∏ch §i là 8, 6 dB
TÀI LIõU THAM KHÉO [1] N Madan Uplink-OFDMA, a game changer for Wi-Fi CERTIFIED™ networks [Online] Available: https://www.wi-fi.org
[2] S Aloui, “Design of 60ghz 65nm cmos power amplifier.” Ph.D disser-tation, 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 dual-band 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, “Reconfig-urable 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
pro-grammable 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 wire-less [Online] Available: https://www.ni.com/en-vn/innovations/white-papers/16/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html [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.