ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Đề tài Thiết kế bộ OTA dùng cấu hình Three Current Mirror

hoanglananh1994@gmail.com TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ ***🖎🕮✍*** ĐỒ ÁN MƠN HỌC MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Đề tài: Thiết kế OTA dùng cấu hình Three Current Mirror GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Hải Ninh Bộ môn: Kỹ thuật điện tử Nhóm thực hiện: Lớp: Nguyễn Tiến sỹ Ngô Hồng Quân 54KĐT.01 hoanglananh1994@gmail.com Thái Nguyên - 2021 hoanglananh1994@gmail.com KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Nhóm sinh viên: Nguyễn Tiến Sỹ - K185520207035 Ngô Hồng Quân – K185520207032 Lớp: 54KDT.01 Ngành: Kỹ thuật điện tử Tên đề tài : Thiết kế OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror Nội dung thực hiện: - Phân tích tìm hiểu tổng quan vai trị ý nghĩa OTA đời sống thực tiễn - Tìm hiểu nghiên cứu nguyên lý hoạt động OTA - Thiết kế OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror - Mô OTA phần mềm cadence - Báo cáo đồ án Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hồn thành nhiệm vụ: TRƯỞNG BỘ MƠN (Ký ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Phương Huy GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) ThS Nguyễn Thị Hải Ninh hoanglananh1994@gmail.com NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2021 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) hoanglananh1994@gmail.com KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GHI ĐIỂM CHẤM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên: : Nguyễn Tiến Sỹ K185520207035 Ngơ Hồng Qn K185520207032 Lớp: K54KĐT.01 Khố: K54 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thị Hải Ninh Đề tài: Thiết kế OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ CHẤM: Xếp loại: Điểm Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021 Cán chấm (Ký ghi rõ họ tên) hoanglananh1994@gmail.com LỜI MỞ ĐẦU Cơng nghệ chế tạo mạch tích hợp đặt hạn chế mang lại hội cho kỹ sư thiết kế mạch Do đó, thiết kế chip bắt buộc tránh trở kháng lớn trở kháng trung bình, có sẵn nguồn dịng khơng đổi Tụ điện lớn, ta sử dụng cho việc ghép tầng tín hiệu dẫn tín hiệu tín hiệu khơng sẵn có chip Trừ linh kiện nằm ngồi vi mạch tích hợp Thậm chí, số lượng tụ điện phải giữ mức tối thiểu Tuy nhiên, tụ điện nhỏ, có đơn vị picofarad nhỏ picofarad lại dễ để chế tạo với cơng nghệ IC MOS kết hợp với khuếch đại MOS chuyển mạch MOS để thu khoảng rộng hàm xử lý tín hiệu, tương tự Như quy tắc chung, việc thiết kế mạch IC MOS người ta cần phải cố gắng thu nhiều chức mong muốn sử dụng transistor MOS cần thiết tụ MOS loại nhỏ Transistor MOS xếp theo kích thước; tức giá trị W L chọn lựa để phù hợp với phạm vi yêu cầu thiết kế rộng Ngồi ra, mảng transistor ghép với để thu khối mạch hợp khối mạch dịng điện đối xứng Xu hướng đóng gói lượng lớn linh kiện vi mạch IC làm giảm bớt kích thước linh kiện Năm 2003, người ta sử dụng công nghệ CMOS có khả tạo linh kiện với độ dài kênh tối thiểu 0.1μm Những linh kiện làm việc điện áp chiều gần 1V Khi linh kiện làm việc điện áp thấp, giúp giảm thiểu tiêu thụ cơng suất, đặt loạt thách thức với người thiết kế Ví dụ như, transistor MOS phải làm việc với điện áp vượt ngưỡng mở khoảng 0,2V Các mạch khuếch đại MOS mà ta nghiên cứu gần hoàn toàn thiết kế sử dụng hai dạng MOSFET NMOS PMOS – có cơng nghệ CMOS Như đề cập trước đây, CMOS công nghệ IC sử dụng rộng rãi với tương tự số kết hợp ứng dụng tương tự số Tuy nhiên, mạch tích hợp transistor lưỡng cực mang lại nhiều thú vị với kỹ sư thiết kế mạch điện tương tự Điều đặc biệt khối mạch đa chức năng, ví dụ transistor cao tần lắp bo mạch in Tương tự, mạch transistor lưỡng cực cung cấp dòng lớn sử dụng nhiều ứng dụng nay, công nghiệp tự động, độ tin cậy cao chúng điều kiện môi trường khắc nghiệt Cuối cùng, mạch lưỡng cực kết hợp với CMOS theo hướng sáng tạo thú vị Để thiết kế khuếch đại sinh học phù hợp với mức tiêu thụ điện cực thấp với thay đổi biên độ dao động, công nghệ cần thiết để thiết kế mạch khuếch đại sinh học Dựa tài liệu, cấu trúc OTA đối xứng hay cấu trúc gương dòng thực việc thiết kế khuếch đại sinh học để đạt công suất tiêu thụ cực thấp với khả chống ồn tốt Ngồi việc có đặc điểm tiêu thụ điện hoanglananh1994@gmail.com cực thấp tiếng ồn thấp, khuếch đại sinh học khuếch đại tín hiệu ECG lên mức nhận để xử lý tốt giai đoạn hệ thống phát Với thực đề tài: “ Thiết kế OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror ” chúng em mong muốn áp dụng kiến thức môn học học hỏi trình học tập phần để hiểu thêm kiến thức chuyên ngành liên quan Chúng em xin chân thành cảm ơn Cơ Nguyễn Thị Hải Ninh tận tình dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Chúng em gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Điện tử Bộ môn Kỹ thuật điện tử hỗ trợ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án tốt Do điều kiện thời gian, kiến thức kinh nghiệm thân thân hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, chúng em mong nhận thơng cảm đóng góp thầy, bạn để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! hoanglananh1994@gmail.com Mục lục CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 13 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Khái niệm chung 13 1.3 Nguyên lý chung va ̀ các thông sô ́ bản 13 1.4 So sánh OTA va ̀ Op-amp 14 1.4.1 So sánh 14 1.4.2 Ứng dụng của OTA 15 1.5 Y ́ tưởng thiết kê ́ va ̀ giải pháp 15 1.6 Tổng quan vê ̀ gương dòng 17 1.7 Ứng dụng của mạch gương dòng 22 1.8 Cấu hình Three Current Mirror 22 1.8.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror 22 1.8.2 Một sô ́ công thức bản 23 1.8.3 Chức bản 24 CHƯƠNG II THIẾT KÊ ́ VA ̀ MÔ PHỎNG 1.1 Lựa chọn các thông sô ́ cho qua ́ trình mô phỏng 1.1.1 24 24 Các thông số của Mosfet 25 1.1.2 Các thông số cho mạch schematic 25 1.1.3 Kết qua ̉ mô phỏng theo bài báo 26 1.2 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM CADENCE 27 1.2.1 Tính toán các thông số 27 1.2.2 Quá trình mô phỏng 28 1.2.3 Kết qua ̉ mô phỏng 38 CHƯƠNG III KẾT LUẬN VA ̀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 hoanglananh1994@gmail.com Phụ lục hình ảnh hoanglananh1994@gmail.com CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Đặt vấn đề Hiện thiết bị điện tử ngày phát triển mạnh mẽ nhân rộng, phủ khắp, phục vụ cho nhu cầu thiết nhiều lĩnh vực đời sống Các thiết bị điện tử nói chung cấu tạo từ nhiều linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn cấu thành nên phận, khâu khác ghép lại để thực chức mong muốn Trong Bảng hiển thị cấu trúc tương tự thường sử dụng để xây dựng tế bào tương tự Tên cấu trúc tương tự Sơ đồ mô tả Cổng S chung Cấu trúc nguồn chung (nguồn kết nối với nguồn cung cấp điện áp DC, đầu vào cổng đầu đầu cổng), chuyển đổi điện áp thành dòng điện Common drain Cấu trúc cổng chung (cổng kết nối với nguồn cung cấp điện áp DC, đầu vào cổng đầu đầu cực nguồn), chuyển đổi điện áp thành dòng điện theo dõi điện áp đơn giản hoanglananh1994@gmail.com hoạt động trạng thái bão hịa dịng cực máng Io nguồn tại, ID =I = k'n (W ) ( V gs−V tn )2 (3) hoanglananh1994@gmail.com Trong bỏ qua điều chế độ dài kênh Công thức (1) (3) cho phép liên hệ đầu Io với dòng tham chiếu IREF W ( ) I = L ( 4) I W REF ( ) L1 Để vận hành cách, đầu đầu ra, nghĩa cổng Q2, phải kết nối với mạch điện để đảm bảo Q2 hoạt động trạng thái bão hịa Trong thiết kế mạch tích hợp tương tự (IC) mạch khuếch đại hoạt động, mạch phụ quan trọng sử dụng rộng rãi mach gương dòng Mạch gương dòng thực khuếch đại hoạt động phần tử thiên vị để khuếch tạo mức tăng điện áp AC cao Trong thiết kế đề xuất này, gương dòng đơn giản cấp nguồn cho tất bóng bán dẫn hoạt động tải hoạt động sử dụng tiêu thụ lượng so sánh với gương dòng cascade V DS 1=V GS (5) Mặt khác, V DS phải lớn VT sau: V DS ≥ V GS 2−VT 2( 6) Với điều kiện này, phương trình MOSFET chế độ bão hòa sau: I out ( )( = W L 1+ λV DS ) (7) +)Ảnh hưởng Vo lên Io: mô tả cho q trình làm việc nguồn dịng hình 6.1, ta giả thiết Q2 làm việc vùng bão hòa Điều cần thiết để Q2 cung cấp dịng điện đầu có giá trị khơng đổi.Q2 bão hịa, mạch điện phải thiết lập điện áp cực máng VO thỏa mãn quan hệ: VO≥VGS −VT (8) Hay: V O≥V OV hoanglananh1994@gmail.com Dòng cực máng IO = IREF giá trị VOV làm cho hai linh kiện có VDS, tức là, VO = VGS Khi VO vượt giá trị này, IO tăng trở kháng ro2 Q2 tăng Điều thể hình 2, thể quan hệ IO VO Quan sát thấy Q2 làm việc VGS khơng đổi, đường cong hình đơn giản đường cong đặc Q2 với giá trị VGS v iD −v DS GS cụ thể tính V = A2 IO ( ) Trong IO cho phương trình (3) VA2 điện áp Early Q2 Ngồi ra, với quy trình cơng nghệ cho trước, VA tỷ lệ với độ dài kênh transistor; đó, để thu giá trị trở kháng cao, nguồn dòng thường thiết kế sử dụng transistor với kênh có đội dài phù hợp Ta có dịng điện đầu IO sau: I =( W/ L)2 I O ( W/ L)1 REF 1+ VO−V GS V A2 hoanglananh1994@gmail.com ( ) hoanglananh1994@gmail.com Hình : Đặc tính đầu điện cực nguồn biến đổi Q2 tương ứng với Q1 +) Thông số hiệu suất Một số thông số rút từ OTA độ lợi, CMRR tiêu thụ điện Các tham số rút cách phân tích kết từ mô sử dụng để xác định mức độ hiệu suất OTA thiết kế +) Hệ số khuếch đại vòng hở Tỷ lệ thay đổi điện áp đầu so với thay đổi điện áp đầu vào OTA định nghĩa mức tăng DC vịng hở tính theo cơng thức: A =20 log V PP(OUT) (11) V PP (¿) Độ lợi vòng hở gọi khuếch đại khuếch đại điện áp chế độ vi sai +) Độ lợi chế độ chung Tỷ lệ thay đổi điện áp đầu so với điện áp đầu vào hai điện áp đầu vào cung cấp vào OTA pha Nó cịn gọi khuếch đại điện áp chế độ chung tính công thức: hoanglananh1994@gmail.com A =20 log V PP(OUT) (12) V PP(¿) +) Tỷ số loại bỏ tín hiệu chế độ chung (CMRR) CMRR định nghĩa tỷ lệ khuếch đại chế độ vi sai so hệ số khuếch đại chế độ chung tính cơng thức: CMRR (dB)=20 log AD (13) AC Nó cịn gọi phép đo sử dụng để định lượng khả thiết bị điện tử từ loại bỏ tín hiệu chế độ chung Giá trị lý tưởng CMRR phải vơ lớn giá trị hệ số khuếch đại chế độ chung hệ số khuếch đại chế độ vi sai cao tốt (theo thông số kỹ thuật) +) Sự tiêu thụ lượng Tiêu thụ điện OTA thực quan trọng cơng nghệ MOSFET đạt đến kích thước siêu nhỏ Sự cải tiến công nghệ MOSFET dẫn đến hiệu ứng ngắn kênh khơng mong muốn xảy bóng bán dẫn ảnh hưởng đến hiệu suất OTA theo cách xấu Một nguồn tiêu thụ lượng cao OTA dòng rò MOSFET Mức tiêu thụ lượng OTA thiết kế báo tính cơng thức: P=( I + I + I DC ) (V DD +V SS )(14) +) Hạn chế mạch gương dòng Mạch lý tưởng mạch thật, hai hồn tồn khác Trong thực tế khơng có gọi hồn hảo hay lý tưởng Tuy nhiên, trước hiểu hạn chế mạch gương dòng ứng dụng giới thực, người ta cần hiểu điện áp nguồn hành vi lý tưởng thực tế chúng Nguồn điện áp thiết bị có khả cung cấp điện áp cố định ổn định cho tải Trong thuật ngữ lý tưởng, nguồn điện áp cung cấp điện áp cố định liên tục mà không phụ thuộc vào dòng tải Do đó, kết nối bất kỳ điện trở tải qua nguồn điện áp lý tưởng có điện áp ổn định cố định lần Đây trường hợp nguồn điện áp giới thực Trong thực tế nguồn điện áp pin, nguồn điện, vv khơng thể cung cấp dịng điện vơ hạn vơ hạn cho phụ tải hoanglananh1994@gmail.com Giống nguồn điện áp lý tưởng, không phân biệt điện áp đầu cực, nguồn cung cấp chấp nhận dòng điện Nhưng giới thực, điện áp ảnh hưởng đến trình phân phối không đổi Trong trường hợp mạch gương dòng, điện áp và nguồn dòng là lý tưởng Nhưng thực tế, chúng có tiếng ồn, dung sai, gợn sóng điện áp đầu thay đổi Tất điều ảnh hưởng đến đầu gương dịng Khơng điều này, mà mặt lý thuyết mạch gương lý tưởng, trở kháng AC chấp nhận vô hạn, trường hợp kịch giới thực Mạch gương dòng thực tế có trở kháng hữu hạn Ngồi việc thực mạch tạo điện dung ký sinh dẫn đến giới hạn tần số 1.6 Ứng dụng mạch gương dòng Có nhiều ứng dụng Mạch gương dịng lĩnh vực sản xuất mạch tích hợp Nguồn dòng tham chiếu tạo cách sử dụng mạch gương dòng Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, nhiều điểm tham chiếu tạo từ nguồn Do đó, thay đổi điểm tham chiếu thay đổi nguồn dòng phần khác mạch 1.7 Cấu hình Three Current Mirror 1.7.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror Mạch gương dịng mạch thiết kế để chép thông qua thiết bị hoạt động cách kiểm sốt dịng điện thiết bị hoạt động mạch, giữ cho dịng điện khơng đổi sản lượng khơng phụ thuộc tải Dịng điện "sao chép" có thể, đơi dịng tín hiệu khác Về mặt khái niệm, gương dòng lý tưởng đơn giản khuếch đại dòng ngược lý tưởng Hoặc bao gồm nguồn dịng kiểm sốt (CCCS) Mạch three current mirors mạch gương dòng tầng minh họa hình hoanglananh1994@gmail.com Hình 6: Mạch OTA sử dụng cấu hình three current mirror OTA thực cấu trúc liên kết gương dòng đối xứng Cấu trúc liên kết có số lợi thế; độ dẫn lớn hơn, tốc độ quay lớn băng thông khuếch đại lớn tạo trình khuếch đại OTA thiết kế từ số gương dòng hoạt động tải hoạt động cho Giai đoạn đầu vào OTA bao gồm hai NMOS cấu trúc cặp vi sai sau ba gương dịng đơn giản chế tạo để phân cực biến tần mạch OTA hình Mạch OTA thiết kế cách sửa kích thước cặp đầu vào vi sai gương dịng 1.7.2 Một sớ cơng thức bản: =Bg m =B m1 Đ ộ d √ n KP ẫ n đ ầ u r a : W Itail L1 g hoanglananh1994@gmail.com =gon+ g out = BItal ( λn+ λp) 2 √ K Pn W =Gm R = B gm = gon + gop out AV ω p1 = g +g on CL op Itail L1 λn+ λp hoanglananh1994@gmail.com ω = p2 g mp ≈ g m C Mp ( 1+ B) C gsp Itail G B √ K Pn W CL Tốc độ quay: CL SR= BItal L 1.7.3 Chức Chức tạo dòng điện chạy vào khỏi thiết bị đầu cuối đầu vào cách chép dòng điện thiết bị đầu Một tính quan trọng gương dòng điện trở đầu tương đối cao giúp giữ cho dịng điện đầu khơng đổi điều kiện tải Một tính khác gương dòng điện trở đầu vào tương đối thấp giúp giữ cho dịng điện đầu vào khơng đổi điều kiện ổ đĩa Dịng điện 'sao chép' thường dịng tín hiệu khác Gương dòng thường sử dụng để cung cấp dòng điện phân cực tải hoạt động giai đoạn khuếch đại Nó sử dụng để mơ hình hóa nguồn dịng thực tế (vì nguồn dịng lý tưởng khơng tồn tại) CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG 1.1 Lựa chỌn thơng sớ cho q trình mơ phỏng Các thơng số mạch lựa chọn tính tốn dựa báo: hoanglananh1994@gmail.com Comparative study of symmetrical OTA performance in 180 nm, 130 nm and 90 nm CMOS technology Từ Tạp chí Kỹ Thuật Điện Khoa học Máy tính Indonesia Dựa vào công nghệ thực thiết kế mơ trình bày báo Nhóm chúng em lựa chọn cơng nghệ 130nm để thực thiết kế mô lại Trong q trình mơ kết mơ có sai lệch báo nhiều lí chủ quan lẫn khách quan khác phần mềm, sai sót q trình cài đặt thơng số v.v Khi thực phần mềm Cadence để mơ mạch dùng cơng nghệ 130nm khơng có sẵn cơng nghệ cơng nghệ 90nm tích hợp sẵn phần mềm công nghệ 90nm hướng dẫn q trình thực hành mơn học học kỳ Nhóm em hoanglananh1994@gmail.com nghiên cứu tìm kiếm công nghệ 130nm để thiết kế thực thêm công nghệ vào phần mềm, tất thông số MOSFET, 1.1.1 Các thông số Mosfet Hình 7: Cấu hình Three Current Mirror TÊN MOSFET ĐỘ RỘNG KÊNH, W(um) CHIỀU DÀI KÊNH, NMOS M1,M2 PMOS M3,M4 PMOS M5,M6 NMOS M7,M8 0,24 L (um) Bảng 2: Lựa chọn thông số cho MOSFET 1.1.2 Các thông số cho mạch schematic hoanglananh1994@gmail.com ● Vo = 0v Vin+ ● Va = 1mv ● Tần số: 250Hz ● Vo = 0v Vin- ● Va = - 1mv VDD ● Tần số: 250Hz ● Từ 0,6V đến 0,9V VSS ● Từ -0,6V đén -0,9V Tụ C ● 2p F Bảng 3: Các thông sớ cho mạch Schematic OTA Hình 8: Mạch Schematic OTA 1.1.3 Kết mô phỏng theo bài báo OTA Điện áp nguồn Hệ số KĐ (dB) Cơng suất trung bình 130nm ±0,9V 55,9 51,09 ±0,8V 55,2 45,69 ±0,7V 54,3 40,29 Bảng 4: So sánh thôn g số đầu hay đổi VDC 34,90 t ±0,6V 52,3 27 Hình 9: Kết Vin+, Vin- Vuot hoanglananh1994@gmail.com Hình 10: Đồ thị biên tần OTA 130nm ở chế độ AC 130nm OTA Bias Current Hệ số Khuếch đại(dB) Công suất trung bình(uW) 56,5 40,73 57,1 30,41 57,9 20,14 58,8 9,966 Bảng 5: So sánh kết với dịng vào thay đổi 1.2 MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM CADENCE Tính tốn thơng sớ (1) Hệ số Khuếch đại: Av =B( Gm )= Gds 5+Gds hoanglananh1994@gmail.com Trong B tính sau: 0,24 B = (W / L) (W / L)3 = 0,08 (2) The gain Banwich: GBW = B( Gm )= (3) Srew late SR = B(IDC/CL) = Ta có: SM1 = (W/L)1 SM1 = SM2, SM3 = SM4, SM5 = SM6, SM7 = SM8 ... phần khác mạch 1.7 Cấu hình Three Current Mirror 1.7.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror Mạch gương dòng mạch thiết kế để chép thông qua thiết bị hoạt động cách kiểm sốt dịng điện thiết bị... Mạch three current mirors mạch gương dòng tầng minh họa hình hoanglananh1994@gmail.com Hình 6: Mạch OTA sử dụng cấu hình three current mirror OTA thực cấu trúc liên kết gương dòng đối xứng Cấu. .. ĐIỆN TỬ CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Nhóm sinh viên: Nguyễn Tiến Sỹ - K185520207035