Trong lĩnh vực thiết kế vi mạch tần số vô tuyến (RF), việc lựa chọn công nghệ cho Bộ khuếch đại công suất (PA) luôn là một bài toán hóc búa do sự đánh đổi giữa chi phí và hiệu năng: công nghệ CMOS có giá thành cực rẻ và khả năng tích hợp hệ thống cao, nhưng hiệu suất tuyến tính của nó kém hơn so với các vật liệu truyền thống như GaAs hay hợp chất III-V.
Mục lục
Để giải quyết bài toán này, tại hội thảo “Seminar Presented for Singapore SSCS Malcolm H. Smith, Ph.D. AnalogSmith Design Solutions 14th December 2016” được tổ chức tại Singapore, Tiến sĩ Malcolm H Smith đã trình bày toàn diện một hướng tiếp cận mới: từ cấu trúc và độ tin cậy của CMOS PA đến các phương pháp tuyến tính hóa. Qua đó, tiến sĩ đã cho thấy: CMOS không chỉ là một lựa chọn công nghệ giúp tối ưu chi phí, mà hoàn toàn có tiềm năng trở thành một nền tảng quan trọng trong thiết kế PA.
Tại sao lại tiến sĩ lại lựa chọn công nghệ CMOS?
Khi nói đến việc sử dụng CMOS cho Bộ khuếch đại công suất (PA), câu hỏi đặt ra là: tại sao lại lựa chọn một công nghệ vốn phổ biến trong các mạch tích hợp số và mạch thu phát để đảm nhiệm một khối có yêu cầu cao về công suất như PA?
Theo Tiến sĩ Malcolm H Smith, câu trả lời trước hết nằm ở chính bản chất của công nghệ CMOS:
- CMOS phổ biến, không đặc thù hay khó tìm
- CMOS vốn đã được sử dụng cho các bộ thu phát, do đó khả năng tích hợp của nó là hoàn toàn khả thi
- Các mạch điều khiển có thể được tích hợp trực tiếp trên cùng một die
- Lý do mang tính quyết định và quan trọng nhất: CMOS rất rẻ
Các nguyên lý cơ bản của PA
Trước khi đi sâu vào các giải pháp thiết kế CMOS PA, ta cần hiểu nguyên lý cơ bản của một Power Amplifier (PA): chuyển nguồn năng lượng từ nguồn cấp thành công suất RF đủ lớn để cung cấp cho tải.
Trong thiết kế PA, hai thông số cơ bản được xác định là:
- Vdd: điện áp nguồn cấp, thường được xác định bởi pin hoặc nguồn cung cấp;
- Power Desired: mức công suất đầu ra mong muốn.
Từ đó, có thể xác định các yêu cầu đối với tải và dòng điện của PA.
Sơ đồ mạch PA
Tuy nhiên, việc cung cấp công suất không chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn mà còn liên quan trực tiếp đến sự phân bố điện áp và dòng điện trong hệ thống PA. Để output stage cung cấp công suất hiệu quả, tải mà PA nhìn thấy cần có đặc tính pha phù hợp.
Khi CMOS PA phải đối mặt với bài toán về độ tuyến tính
CMOS có một lợi thế rất rõ ràng: chi phí thấp và khả năng tích hợp cao. Nếu có thể sử dụng CMOS cho Power Amplifier, toàn bộ hệ thống RF có thể tiến gần hơn đến mục tiêu tích hợp nhiều khối chức năng trên cùng một die. Nhưng để kết hợp được CMOS vào PA phải trả lời được câu hỏi:
CMOS PA phải được thiết kế như thế nào để những lợi thế đó không phải đánh đổi bằng hiệu năng?
Giải quyết bài toán về điện áp
Một trong những vấn đề đầu tiên của CMOS PA là transistor phải chịu điện áp RF lớn trong quá trình tạo công suất. Khi điện áp và công suất tăng, transistor có thể gặp các cơ chế hỏng như drain-source punchthrough, hot-carrier injection, oxide breakdown, diode breakdown và snap-back.
Những vấn đề mà CMOS PA có thể gặp phải
Vì vậy, output stage không thể chỉ sử dụng một transistor đơn lẻ. Tiến sĩ Malcolm H. Smith đưa ra Cascode Output Structure với mục tiêu trực tiếp là phân chia điện áp lên nhiều transistor thay vì để một transistor chịu toàn bộ điện áp.
Sơ đồ phân chia điện áp
Trong cấu trúc này, nhiều transistor được xếp tầng theo chiều dọc. Các mức gate bias khác nhau được sử dụng để kiểm soát điện áp trên từng transistor. Với công nghệ 0.18 μm, sơ đồ cho thấy một cấu trúc gồm các transistor 3V và 2V, trong đó điện áp được phân bố qua từng phần của stack thay vì tập trung hoàn toàn trên transistor cuối.
Bài toán về tuyến tính
Tuy nhiên, chỉ giải quyết được điện áp thôi là chưa đủ, output stage vẫn bị phi tuyến tính. Khi tín hiệu đầu vào tăng, độ lợi của PA không phải lúc nào cũng giữ nguyên. Ở một số vùng, độ lợi có thể tăng lên ; khi PA tiến gần giới hạn công suất, độ lợi bắt đầu giảm. Sự thay đổi gain này khiến biên độ tín hiệu đầu ra không còn tăng tương ứng với tín hiệu đầu vào, tạo ra AM-AM distortion. Đây là một trong những vấn đề chính về tính tuyến tính của PA, đặc biệt khi PA phải khuếch đại các tín hiệu mà cả biên độ và pha đều mang thông tin.
Để giải quyết vấn đề này, Tiến sĩ Malcolm H Smith đã tuyến tính hóa output stage của CMOS PA bằng Gate Bias và feedback. Khi công suất đầu vào thay đổi, mạch Voltage Sensing và Current Sensing sẽ lấy thông tin từ output stage, sau đó đưa qua cơ chế bias feedback để điều chỉnh Gate Bias thông qua Bias Generator. Nhờ vậy, Gate Bias được thay đổi theo điều kiện hoạt động của PA, tạo ra sự bù đối với biến thiên gain và hướng tới đáp ứng AM-AM tuyến tính hơn.
Sơ đồ tuyến tính hóa output stage của CMOS PA
Khả năng ứng dụng và giá trị thực tiễn của giải pháp thiết kế CMOS PA
Giá trị lớn nhất mà các phương pháp này mang lại là khả năng tận dụng triệt để năng lực sản xuất wafer khổng lồ và chi phí cực rẻ từ CMOS. Bằng việc khắc phục được các điểm yếu nhất định về độ tin cậy và độ phi tuyến tính, các nhà sản xuất đã có thể ứng dụng thành công CMOS PA vào các thiết bị viễn thông khác nhau trên toàn cầu, giúp tối ưu chi phí và gia tăng hiệu quả.
Phương pháp này đã được ứng dụng vào các hệ thống như mạng 2G GSM và GPRS. Bằng cách áp dụng cấu trúc xếp chồng nhiều transistor để chia nhỏ áp lực điện áp, kết hợp với hệ thống cảm biến dòng, áp tích hợp trực tiếp trên chip, công nghệ CMOS đã hóa giải hoàn toàn rào cản này. Nhờ vậy, nó tạo ra những module phát (Tx modules) vừa hoạt động bền bỉ, vừa có chi phí sản xuất thấp, trở thành tiêu chuẩn cho hơn một tỷ thiết bị điện thoại di động trên toàn cầu.
Không chỉ vậy, khi bước sang kỷ nguyên Internet vạn vật với WiFi, 3G và mạng LTE (4G), thị trường đối mặt với thách thức: Để đáp ứng băng thông khổng lồ, các chuẩn mạng hiện đại bắt buộc phải sử dụng phương pháp điều chế tuyến tính, nhồi nhét dữ liệu vào sự biến thiên của cả pha lẫn biên độ; ở môi trường này, hệ thống khuếch đại không thể chạy bão hòa như trước, bởi bất kỳ sự biến đổi nào cũng sẽ ngay lập tức phá hỏng luồng dữ liệu truyền đi.
Giải pháp này một lần nữa lại giúp các kỹ sư giải quyết được bài toán khó này. Bằng cách can thiệp trực tiếp vào cấu trúc vật lý của vi mạch: tự động điều chỉnh điện áp phân cực cổng (Gate Bias) để duy trì độ phẳng của biên độ, đồng thời cấy thêm transistor PMOS (mang đặc tính nghịch đảo) và tụ điện tĩnh vào mạch đa tầng Cascode để triệt tiêu sự biến thiên liên tục của điện dung ký sinh (Cgs, Cgd). Song song đó, các hệ thống cảm biến dòng và áp được thiết lập ngay tại đầu ra nhằm tạo ra vòng lặp phản hồi (feedback), liên tục ép vi mạch hoạt động chuẩn xác trong vùng tuyến tính. Nhờ tổ hợp các kỹ thuật tinh vi này, nhược điểm vật lý của CMOS được khắc phục hoàn toàn, cho phép một vi mạch có giá thành cực rẻ xử lý trọn vẹn các luồng dữ liệu tốc độ cao, phức tạp của WiFi và mạng di động hiện đại.
Thành tựu này đã khẳng định mạnh năng lực quốc tế của Tiến sĩ Malcolm H. Smith: một chuyên gia vi mạch không chỉ là người có khả năng hiểu và kiến tạo nên những hệ thống phức tạp, mà còn sở hữu tư duy giải quyết tận gốc rễ rào cản các vấn đề vật lý, qua đó giúp tối ưu và hiện thực hóa các giải pháp kỹ thuật có giá trị cao trong thực tế.
Từ những nền tảng về thiết kế CMOS PA, Tiến sĩ Malcolm H. Smith tiếp tục phát triển các giải pháp hướng đến việc tối ưu kiến trúc vi mạch và mang lại hiệu quả trong thực tiễn. Trong thời gian giữ vai trò Giám đốc Hệ thống RF và Thiết kế Analog tại Amalfi Semiconductor, một trong các dự án tiêu biểu của ông tại đây là kiến trúc vi mạch Switchless GSM. Sáng chế này của ông đã giúp doanh nghiệp loại bỏ khuôn chip chuyển đổi và nhu cầu hỗ trợ quy trình công nghệ thứ hai, đồng thời tiết kiệm khoảng 6 cent/chip (~20%) so với giải pháp CMOS TxM trước đó. Với sản lượng 100 triệu chip, giải pháp mang lại khoảng 6 triệu USD lợi nhuận/năm và được ghi nhận là một trong những lý do chính dẫn đến thương vụ RFMD mua lại Amalfi với giá hơn 47,5 triệu USD. Không chỉ có vậy, kiến trúc này của ông còn được cấp bằng sáng chế với giá trị thương mại lên đến hơn 1 tỷ USD.
_______________________________________________________________
Trong ngành thiết kế vi mạch, một kỹ sư có thể học cách sử dụng một công cụ, làm quen với một quy trình hay thiết kế một loại mạch cụ thể. Nhưng khi công nghệ thay đổi, yêu cầu thiết kế trở nên phức tạp hơn và những bài toán mới xuất hiện, điều thực sự giúp kỹ sư tìm ra lời giải chính là nền tảng chuyên môn vững chắc cùng khả năng phân tích, tư duy đổi mới để tạo ra giải pháp.
Đó cũng là lý do Tiến sĩ Malcolm H. Smith đặc biệt chú trọng đến việc xây dựng nền tảng từ những nguyên lý cơ bản và cách tư duy có hệ thống thay vì chỉ hướng dẫn người học sử dụng công cụ hay làm theo một quy trình có sẵn.
Những kinh nghiệm và cách tiếp cận đó đều được Tiến sĩ Malcolm H. Smith trực tiếp đưa vào các chương trình đào tạo thiết kế vi mạch tại VMIC, để có thể giúp các bạn kỹ sư tương lai có một nền tảng vững chắc và biết cách tư duy, sẵn sàng giải quyết các bài toán thực tế sau này.
Xem thêm:
