Giải pháp bù nhiệt cho bộ lọc Gm-C công nghệ CMOS có thể điều hưởng ứng dụng trong SDR

Bài báo trình bày một giải pháp bù sai số tần số trung tâm cho bộ lọc trung tần 10,7MHz kiểu Gm-C công nghệ CMOS 0,35µm do ảnh hưởng bởi nhiệt độ làm việc. Giải pháp sử dụng thuật toán xử lý tín hiệu số để ước lượng tần số trung tâm bộ lọc, sau đó điều chỉnh thiên áp cho bộ lọc Gm-C có thể tái điều hưởng, cho phép giảm độ sai lệch tần số trung tâm xuống dưới 0,1% khi nhiệt độ thay đổi từ - 40o C đến 85o C. Giải pháp được ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống vô tuyến định dạng mềm (software-defined radio - SDR).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp bù nhiệt cho bộ lọc Gm-C công nghệ CMOS có thể điều hưởng ứng dụng trong SDR Nghiên cứu khoa học công nghệ GIẢI PHÁP BÙ NHIỆT CHO BỘ LỌC Gm-C CÔNG NGHỆ CMOS CÓ THỂ ĐIỀU HƯỞNG ỨNG DỤNG TRONG SDR Lưu Thị Thu Hồng, Vũ Lê Hà*, Lê Kỳ Biên Tóm tắt: Bài báo trình bày một giải pháp bù sai số tần số trung tâm cho bộ lọc trung tần 10,7MHz kiểu Gm-C công nghệ CMOS 0,35µm do ảnh hưởng bởi nhiệt độ làm việc. Giải pháp sử dụng thuật toán xử lý tín hiệu số để ước lượng tần số trung tâm bộ lọc, sau đó điều chỉnh thiên áp cho bộ lọc Gm-C có thể tái điều hưởng, cho phép giảm độ sai lệch tần số trung tâm xuống dưới 0,1% khi nhiệt độ thay đổi từ - 40oC đến 85oC. Giải pháp được ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống vô tuyến định dạng mềm (software-defined radio - SDR). Từ khóa: Bù nhiệt, bộ lọc có thể điều hưởng, CMOS, Gm-C, SDR. 1. MỞ ĐẦU Bộ lọc trung tần là một khối chức năng quan trọng trong kiến trúc máy thông tin liên lạc vô tuyến. Tần số trung tần phổ biến hiện nay là 10,7MHz. Công nghệ thông dụng cho thiết kế bộ lọc này là CMOS. Trên công nghệ CMOS các kiểu bộ lọc Gm-C ngày càng trở nên phổ biến do thiết kế đơn giản, dễ hiệu chỉnh. Bộ lọc Gm-C dựa trên khối cơ bản là bộ khuếch đại hỗ dẫn thuật toán (Operational Transconductance Amplifier) có hỗ dẫn là Gm. Các tham số của bộ lọc như tần số trung tâm, độ chọn lọc,… có thể dễ dàng điều chỉnh thông qua điều chỉnh Gm. CMOS là một trong những công nghệ chủ yếu trong chế tạo các mạch tích hợp. Bên cạnh những ưu điểm, thì một trong những nhược điểm mà người thiết kế cần phải giải quyết khi sử dụng công nghệ này là sự ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến các tham số thiết kế. Trong đó một trong những tham số bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ là tần số trung tâm bộ lọc fc. Tần số này phụ thuộc vào các giá trị Gm của các bộ khuếch đại OTA và giá trị điện dung của các tụ điện trong cấu trúc bộ lọc. Trong môi trường làm việc khi nhiệt độ thay đổi, hàng loạt các tham số đặc trưng quyết định điểm làm việc của các bóng MOSFET (linh kiện tích cực chính trong cấu trúc bộ OTA) như điện áp ngưỡng Vth, độ linh động điện tích µn, cũng như giá trị các linh kiện thụ động khác như điện trở, tụ điện,…bị thay đổi giá trị so với giá trị chuẩn tại điều kiện nhiệt độ chuẩn (thường lấy bằng 25oC). Các tham số này bị thay đổi giá trị, dẫn tới fc cũng bị thay đổi. Để làm ổn định giá trị thiết kế danh định của tham số này, các giải pháp bù nhiệt khác nhau được thực hiện. Trong [9] sử dụng kỹ thuật mạch phản hồi âm để làm ổn định Gm bộ OTA. Mạch tạo dòng thiên áp được sử dụng trong [4]. Trong [1], một mạng điện trở được sử dụng để tạo phản hồi âm điều chỉnh Gm, làm giảm mức độ thay đổi Gm xuống 0,66% khi nhiệt độ thay đổi từ -40oC đến 120oC. Một bộ tạo điện áp phụ thuộc nhiệt độ được sử dụng trong [6] để điều khiển dòng đuôi (tail current) cho các bộ OTA, đạt được sự thay đổi đặc tính tần số nhỏ hơn 6% khi nhiệt độ thay đổi từ 25oC đến 125oC. Các giải pháp trên cần các cấu trúc mạch điện on-chip để thực hiện chức năng bù nhiệt. Hiển nhiên độ phức tạp thiết kế cũng như dòng tiêu thụ tổng cộng và kích thước dice cũng tăng lên. Đồng thời, bản thân các mạch tự động điều chỉnh này cũng bị tác động bởi tham số nhiệt độ, dẫn tới mức độ hiệu chỉnh không đạt được tuyệt đối như tính toán tại thời điểm thiết kế. Theo xu hướng phát triển, các hệ thống thông tin liên lạc trên nền tảng công nghệ SDR đang ngày càng chiếm ưu thế so với cấu trúc phần cứng cố định truyền thống. Trong các kiến trúc SDR, thuật toán phần mềm được thực thi ở phần xử lý tín hiệu số. Đồng thời các khối chức năng ở phần điện tử tương tự nói chung hay bộ lọc Gm-C nói riêng cần phải có Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 87  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử tính năng tái điều hưởng, cho phép thuật toán phần mềm thực hiện các chức năng điều khiển và tái cấu hình, cũng như hiệu chỉnh bù tham số trong quá trình làm việc. Các bộ lọc Gm-C có thể điều hưởng như trong [2][3][5][7] cho phép mở rộng dải thông bộ lọc trong các chế độ hoạt động khác nhau. Theo hiểu biết của nhóm tác giả, chưa thấy có các công bố về giải pháp điều khiển số để thực hiện chức năng bù nhiệt cho bộ lọc trung tần kiểu Gm-C ứng dụng trong các hệ thống SDR. Đây là mục tiêu nghiên cứu của bài báo. Cấu trúc các phần tiếp theo của bài báo như sau: phần 2 trình bày sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tham số của bộ lọc Gm-C. Phần 3 đề xuất giải pháp bù nhiệt cho bộ lọc. Phần 4 là kết quả mô phỏng. Kết luận được trình bày trong phần 5. 2. BỘ LỌC DẢI THÔNG Gm-C VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Bộ lọc Gm-C gồm hai thành phần chính là các bộ OTA có hệ số khuếch đại hỗ dẫn Gm và các tụ điện C. Cấu trúc của một bộ lọc bậc hai như trong Hình 1. Tần số trung tâm của bộ lọc được tính theo: f c  Gm 2 / (2 C1C2 ) (1) Trong cấu trúc mạch này, Gm1 có vai trò quyết định hệ số khuếch đại của bộ lọc. Gm2 quyết định tần số làm việc và hệ số phẩm chất của bộ lọc. Gm1 và Gm2 được xây dựng từ các bộ OTA đơn nên được tính: Hình 1. Cấu trúc của bộ lọc Gm-C bậc hai. Gm1  2* g mOTA1 , và Gm 2  2* g mOTA2 với g mOTA1 , g mOTA 2 lần lượt là hỗ dẫn của các OTA đơn tạo nên chúng. Do đó muốn điều khiển giá trị của Gm1 và Gm2 thì thực chất là đi điều khiển giá trị hỗ dẫn của các OTA. Bộ OTA đơn được thiết kế như trong Hình 2 có hỗ dẫn được tính theo: GmOTA  K * g m1,2 với K  W / L 4 / W / L 41  W / L 5 / W / L 51 . Trong thiết kế này, OTA2 có K=2. Nên Gm 2  4* g m1,2 . Hỗ dẫn của các bóng M1, M2 là: g m1,2  nCox W / L 1,2 ITAIL trong đó n , Cox , W / L 1,2 tương ứng là độ linh động của các hạt mang điện tích, điện dung lớp oxide trên một đơn vị diện tích tại cực cổng, và tỉ số độ rộng/ ...