Để thiết kế một bộ khuếch đại sinh học phù hợp với mức tiêu thụ điện cực thấp với sự thay đổi biên độ dao động, một công nghệ mới là cần thiết để thiết kế mạch của bộ khuếch đại sinh học. Dựa trên các tài liệu, cấu trúc OTA đối xứng hay cấu trúc gương dòng được thực hiện trong việc thiết kế bộ khuếch đại sinh học để đạt được công suất tiêu thụ cực thấp với khả năng chống ồn tốt hơn. Ngoài việc có những đặc điểm tiêu thụ điện cực thấp và tiếng ồn thấp, bộ khuếch đại sinh học cũng có thể khuếch đại tín hiệu lên trên mức nhận được để xử lý tốt hơn trong giai đoạn tiếp theo của hệ thống phát hiện.
TỔNG QUAN VỀ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ
Mạch tích hợp tương tự
1.1.1 Tổng quan mạch tích hợp tương tự
Mạch tích hợp (integrated circuit) còn được gọi là mạch tích hợp nguyên khối, chip, vi mạch và IC có thể được định nghĩa là một tập hợp các mạch điện tử với hàng triệu điện trở, tụ điện, bóng bán dẫn và các thành phần khác được tích hợp trên một tấm bán dẫn hoặc tấm vật liệu bán dẫn nhỏ, nói chung là silicon. Thông thường, mọi thiết bị điện và điện tử chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày đều là ứng dụng của các mạch tích hợp Mặc dù IC bao gồm hàng tỷ bóng bán dẫn và các thành phần khác nhưng chúng vẫn có kích thước nhỏ hơn, rất nhỏ gọn Với sự tiến bộ trong công nghệ vi mạch, độ rộng của đường dẫn trong mạch tích hợp giảm xuống chỉ còn hàng chục nanomet.
Có nhiều loại IC khác nhau nhưng chủ yếu IC được phân thành hai loại là mạch tích hợp tương tự và mạch tích hợp số Trong bài viết này, chúng em thảo luận về mạch tích hợp tương tự.
Mạch tích hợp tương tự (analog integrated circuit) về cơ bản có nghĩa là các tụ điện, điện trở, bóng bán dẫn và các thành phần khác thuộc mạch tương tự được tích hợp để xử lý tín hiệu tương tự Các mạch tích hợp tương tự chủ yếu được thiết kế bằng cách sử dụng tính toán thủ công và các bộ phận của bộ xử lý trước khi phát minh ra bộ vi xử lý và các công cụ thiết kế phụ thuộc vào phần mềm khác.Thiết kế mạch tích hợp tương tự được sử dụng để thiết kế bộ khuếch đại hoạt động, bộ điều chỉnh tuyến tính, bộ tạo dao động, bộ lọc tích cực và vòng lặp khóa pha.Các thông số bán dẫn như công suất tiêu tán, độ lợi và điện trở được quan tâm nhiều hơn trong thiết kế mạch tích hợp tương tự.
1.1.2 Vai trò và ứng dụng trong thực tế
Việc sử dụng các mạch tích hợp tương tự đã được các sản phẩm điện tử tiêu dùng, duy trì tăng trưởng ổn định trong những năm gần đây Theo một nghiên cứu của Databeans, báo cáo nghiên cứu thị trường cho thấy thị trường của vi mạch tương tự trên toàn thế giới những năm 2003-2009 có tốc độ CAGR là 12% Con số này sẽ cao hơn so với tốc độ tăng trưởng của các sản phẩm khác Điều này cũng chỉ ra rằng thị trường tương tự đạt hiệu suất cao trong một thời gian và rất có tiềm năng phát triển trong tương lai Trong Hiệp hội Công nghiệp bán dẫn Mỹ (SIA) có một số liệu thống kê thị trường cho thấy trong 2 đến 3 năm phát triển tiếp theo, thị trường tương tự sẽ nhanh chóng vượt qua thị trường kỹ thuật số Thiết bị tương tự sẽ trở thành thị trường và sản phẩm của chính các ứng dụng mạch kỹ thuật số tích hợp.
Có nhiều ví dụ khác nhau về thiết kế mạch tích hợp tương tự như mạch quản lý nguồn, bộ khuếch đại hoạt động và cảm biến được sử dụng với tín hiệu liên tục để thực hiện các chức năng như lọc tích cực, phân phối điện cho các thành phần có trong chip, Ứng dụng của IC tương tự để lọc chủ động
Thiết kế mạch tích hợp tương tự được sử dụng để lọc tích cực Bộ lọc tích cực hoặc bộ lọc điện tử tương tự sử dụng các thành phần điện tử tích cực như bộ khuếch đại được sử dụng để cải thiện hiệu suất và khả năng dự đoán của bộ lọc bằng cách tránh cuộn cảm cồng kềnh và đắt tiền Có các cấu hình khác nhau của bộ lọc tích cực (cấu trúc liên kết bộ lọc điện tử) bao gồm bộ lọc khóa sallen, bộ lọc biến trạng thái, nhiều bộ lọc phản hồi, Ứng dụng của IC tương tự cho mạch quản lý nguồn
Trong thiết kế mạch tích hợp tương tự (hoặc bất kỳ mạch tích hợp nào) tất cả các thành phần điện và điện tử được sử dụng và tích hợp để thiết kế mạch tích hợp đều cần nguồn điện Công suất điện cần thiết này được phân phối đến các thành phần trên chip bằng mạng lưới các dây dẫn được thiết kế trên chip Mạch quản lý nguồn bao gồm phân tích và thiết kế các loại mạng này (mạng các dây dẫn) được sử dụng để phân phối điện trong mạch. Ứng dụng của IC tương tự để trộn tần số
Bộ trộn tần còn được gọi là bộ trộn (mạch điện phi tuyến) là một thiết kế mạch tích hợp tương tự được sử dụng để trộn tần số Trộn tần số có thể được định nghĩa là tạo ra một tần số mới từ hai tín hiệu khác nhau được đưa vào mạch Chúng cũng được sử dụng để chuyển các tín hiệu hình thành dải tần số này sang dải tần số khác.
Thiết kế mạch tích hợp tương tự
Thiết kế mạch tích hợp tương tự thực tế bao gồm các bước sau:
Quy trình thiết kế mạch tích hợp tương tự
Hệ thống cấp độ khối (Block Level System) : Chủ yếu các ý tưởng được thực hiện để thiết kế thiết kế mức khối cho mạch tích hợp tương tự mong muốn. Các khối khác nhau được thiết kế và kết nối để có được một hệ thống cấp khối hoàn chỉnh.
Mạch mức thành phần (Component Level Circuit) : Dựa trên hệ thống mức khối, các thành phần phù hợp khác nhau được sử dụng và kết nối để tạo thành mạch mức thành phần Sử dụng mạch này làm mạch cơ bản để thiết kế vi mạch tương tự, nó được sử dụng để mô phỏng Mạch mức thành phần được sử dụng để xác minh Thiết kế mạch này được mô phỏng và dựa trên kết quả mô phỏng, mạch mức thành phần của mạch tích hợp tương tự được xác nhận.
Bố cục mạch tích hợp (Intergrated Circuit Layout) : Sau khi xác minh mạch mức thành phần của mạch tích hợp tương tự bằng cách sử dụng mô phỏng Bố cục mạch tích hợp tương tự được thiết kế bằng cách sử dụng bản dịch vật lý Do đó, một bố trí mạch tích hợp tương tự được thiết kế.
Hệ thống cấp độ khối Mạch mức thành phần
Bố cục mạch tích hợp
Chế tạo vi mạch Kiểm tra và gỡ lỗi IC
Chế tạo vi mạch (Fabrication of IC) : Việc chế tạo mạch tích hợp tương tự bao gồm một số bước như tạo ra wafer bán dẫn bằng vật liệu bán dẫn (hoặc có thể sử dụng trực tiếp wafer bán dẫn) Tích hợp các thành phần điện và điện tử khác nhau như điện trở, bóng bán dẫn,… trên tấm wafer và đóng gói chip để tạo thành gói IC.
Kiểm tra và gỡ lỗi IC (Testing and Debugging IC) : Mạch tích hợp tương tự được kiểm tra và gỡ lỗi cho bất kỳ kết quả kiểm tra nào với kết quả ước tính Sau đó, nguyên mẫu IC được thiết kế và sử dụng để mô tả đặc tính của mạch tích hợp và bảng đánh giá được sử dụng để đánh giá mạch tích hợp tương tự.
1.2.2 Các công nghệ thiết kế
- Các linh kiện bán dẫn được tạo bằng pha tạp chất, và theo thứ tự lớp thực hiện lai ghép điện trở, đường mạch dẫn, tụ điện, lớp cách điện, cực gate của MOSFET Ví dụ công nghệ TTL, CMOS, CCD, BiCMOS, DMOS, BiFET, transistor lưỡng cực.
- Mạch màng mỏng hay mạch phim, là những phần tử được tạo bằng lắng đọng hơi trên nền thủy tinh Nó thường là các mạng điện trở Chúng có thể được chế tạo bằng cách cân bằng điện tử với độ chính xác cao, và được phủ nhúng bảo vệ Trong nhóm này bao gồm cả các mạch của transistor màng mỏng (TFT), ví dụ trong ứng dụng màn hình phẳng.
Các chỉ tiêu thiết kế
Khi thiết kế một mạch khuếch đại thuật toán các chỉ tiêu thiết kế cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo rằng mạch đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy Dưới đây là các chỉ tiêu quan trọng cụ thể:
1 Hệ số khuếch đại (Gain): Đo lường mức độ khuếch đại của mạch, là tỷ lệ giữa biên độ của tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào.
2 Băng thông (Bandwidth): Là phạm vi tần số mà mạch có thể hoạt động một cách hiệu quả mà không làm biến đổi tín hiệu quá mức cho phép
3 Trở kháng vào và trở kháng ra (Input and Output Impedance): Trở kháng của mạch đối với tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra cần được thiết kế sao cho phù hợp với các điều kiện đặc biệt của ứng dụng trong thực tế Trở kháng vào thường cần phải thấp để không làm suy giảm tín hiệu từ cảm biến, trong khi trở kháng ra cần phải cao để không làm giảm độ khuếch đại của mạch.
4 Slew Rate: Là tốc độ tối đa mà mạch có thể thay đổi biên độ của tín hiệu đầu ra 5.Nhiễu (Noise): Đo lường mức độ nhiễu và biến động trong tín hiệu đầu ra của mạch.
6 Công suất (Power Consumption): Là lượng điện năng mà mạch tiêu tốn trong quá trình hoạt động
Các chỉ tiêu thiết kế này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng mạch khuếch đại thuật toán trong y sinh đáp ứng được yêu cầu chính xác và đáng tin cậy của ứng dụng.
TỔNG QUAN OTA THREE CRURRENT MIRROR
Mạch khuếch đại
2.1.1 Mạch khuếch đại đơn tầng
Mạch khuếch đại đơn tầng là một loại mạch điện tử được sử dụng để tăng cường tín hiệu điện áp hoặc dòng điện tại một tần số cố định Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng như công suất âm thanh, truyền dẫn tín hiệu, và các hệ thống điện tử khác.Mạch khuếch đại 1 tầng bao gồm một giai đoạn khuếch đại duy nhất, trong đó tín hiệu vào được khuếch đại lên để tạo ra tín hiệu ra có điện áp hoặc dòng điện lớn hơn Mạch này thường được thiết kế để có độ phản hồi thấp và độ tuyến tính tốt ở mức điện áp và dòng điện đầu ra mong muốn Các loại mạch khuếch đại 1 tầng phổ biến bao gồm các mạch khuếch đại cực cố định (fixed bias amplifiers), mạch khuếch đại cực tự phát (self- bias amplifiers), và mạch khuếch đại cực dòng nguồn chung (common emitter amplifiers) trong các ứng dụng transistor Đối với các ứng dụng kỹ thuật số, các mạch khuếch đại 1 tầng cũng có thể sử dụng các loại IC (integrated circuit) khuếch đại.
Hình 2 1: Sơ đồ chung cho mạch khuếch đại đơn tầng
Mạch khuếch đại đơn tầng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của khuếch đại tín hiệu bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán đơn giản Thông thường, mạch này bao gồm một transistor hoạt động ở chế độ tích cực (active mode), được phân cực dưới dạng(self-biasing) hoặc nguồn dòng cố định (fixed bias) Khi một tín hiệu được đưa vào cực cửa(Gate) của transistor, nó sẽ điều chỉnh dòng qua transistor và do đó tạo ra một tín hiệu đầu ra lớn hơn.
Hình 2 2: Sơ đồ tương đương hình π và hình T
Hình 2 3: Các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại đơn tầng dùng MOS
Các công thức tính toán
Trở kháng đầu vào R ¿ đại diện cho ảnh hưởng tải của đầu vào bộ khuếch đại lên nguồn tín hiệu.
Và cùng với trở kháng R sig tạo thành một bộ phân áp làm giảm v sig đến giá trị v i xuất hiện ở đầu vào bộ khuếch đại: v i = R ¿
Hầu hết các mạch khuếch đại được nghiên cứu trong phần này đều là đơn tầng Nghĩa là, chúng không có phản hồi nội bộ, và do đó R ¿ sẽ độc lập với R L Tuy nhiên, nhìn chung R ¿ có thể phụ thuộc vào tải R L
Tham số thứ hai trong việc mô tả đặc trưng của bộ khuyếch đại là hệ số khuếch đại điện áp hở mạch A vo được định nghĩa là:
Tham số thứ ba và cuối cùng là trở kháng đầu ra R O R O là trở kháng nhìn từ đầu ra của bộ khuếch đại đầu ra với v i đặt bằng không Vì vậy, R O có thể được xác định như sau
Vì R O được xác định với v i =0, giá trị của R O không phụ thuộc vào R sig
Nguồn dòng được điều khiển A vo v i và trở kháng đầu ra R O đại diện cho Th'evenin của mạch khuếch đại ở đầu ra, và điện áp đầu ra v o có thể được tìm thấy từ: v 0 = R L
Do đó hệ số khuếch đại vòng kín của bộ khuếch đại, A v :
Và hệ số khuếch đại toàn bộ mạch điện G v :
Có thể được xác định như sau
- Đơn Giản và Chi Phí Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có cấu trúc đơn giản và sử dụng ít thành phần hơn so với các mạch khuếch đại đa tầng Điều này làm giảm chi phí sản xuất và thiết kế, đồng thời giúp tối ưu hóa hiệu suất kinh tế của mạch.
- Dễ Thiết Kế và Triển Khai: Với cấu trúc đơn giản, mạch khuếch đại đơn tầng dễ dàng thiết kế và triển khai trong các ứng dụng điện tử Việc chỉ cần một transistor và một số linh kiện phụ trợ giúp việc lập trình và sử dụng mạch trở nên dễ dàng hơn.
- Tiêu Thụ Điện Năng Thấp: Mạch khuếch đại đơn tầng thường tiêu thụ ít điện năng hơn so với các mạch khuếch đại phức tạp hơn Điều này làm giảm nguy cơ quá nhiệt và gia tăng tuổi thọ của mạch, đồng thời giúp tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng di động và pin dự phòng.
- Hệ Số Khuếch Đại Thấp: Một trong những nhược điểm lớn của mạch khuếch đại đơn tầng là hệ số khuếch đại thường thấp hơn so với các mạch khuếch đại đa tầng. Điều này có thể làm giảm độ nhạy của mạch và làm giảm chất lượng của tín hiệu đầu ra.
- Băng Thông Hạn Chế: Mạch khuếch đại đơn tầng thường có băng thông hạn chế, giới hạn khả năng tái tạo các tín hiệu có tần số cao hoặc biến đổi nhanh Điều này có thể làm giảm độ chính xác và độ phản ứng của mạch đối với các tín hiệu đầu vào biến động nhanh.
- Nhiễu và Nhiệt Độ: Do cấu trúc đơn giản và số lượng linh kiện ít, mạch khuếch đại đơn tầng thường dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường và biến đổi nhiệt độ Điều này có thể gây ra các sai số và biến dạng tín hiệu trong môi trường yếu tố nhiễu hoặc biến đổi.
2.1.2 Mạch khuếch đại đa tầng
Mạch khuếch đại đa tầng, một trong những cấu trúc phổ biến nhất trong điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại và xử lý tín hiệu trong nhiều ứng dụng
Hình 2 4: Sơ đồ khối chung cho mạch khuếch đại hai tầng
Mạch khuếch đại 2 tầng là một cấu trúc mạch phức tạp được hình thành từ hai tầng khuếch đại, mỗi tầng cung cấp một mức độ khuếch đại riêng biệt Cấu trúc này thường bao gồm một tầng khuếch đại đầu tiên, thường là một tầng khuếch đại nhỏ gần tín hiệu đầu vào, và một tầng khuếch đại thứ hai, cung cấp một mức độ khuếch đại cao hơn và tinh chỉnh tín hiệu ra từ giai đoạn trước
Trong tầng đầu tiên, thường sử dụng một transistor làm khuếch đại trong chế độ common source Tín hiệu đầu vào được đưa vào cổng gate của transistor này, và tín hiệu đầu ra được lấy ra từ cực drain Tầng đầu tiên thường là giai đoạn khuếch đại sơ bộ và cung cấp một mức độ khuếch đại đầu ra nhỏ gần với tín hiệu đầu vào.Nó cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh và tinh chỉnh biên độ và pha của tín hiệu đầu ra trước khi nó được đưa vào tầng thứ hai.
Tầng thứ hai thường sử dụng một transistor trong chế độ common source (CS), nhưng với các kỹ thuật và thành phần phụ trợ được sử dụng để tăng cường hiệu suất.Mạch khuếch đại 2 tầng cung cấp một sự linh hoạt cao cho việc tinh chỉnh và điều chỉnh hiệu suất mạch Bằng cách kết hợp hai giai đoạn khuếch đại, mạch này có thể cung cấp một hệ số khuếch đại lớn hơn và băng thông rộng hơn, đồng thời đảm bảo độ ổn định và độ chính xác của tín hiệu đầu ra Mỗi tầng đều có vai trò quan trọng trong việc cung cấp khuếch đại cho tín hiệu đầu vào vào đầu ra ổn định và chính xác
Tổng quan về OTA
Trong thời đại hiện nay, bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) đã trở thành một công cụ không thể thiếu và được áp dụng rộng rãi trong các mạch tương tự với nhiều mục đích khác nhau, từ việc tăng cường tín hiệu đến tích hợp và so sánh cho các ứng dụng phức tạp như bộ lọc và bộ dao động Sử dụng Op-Amp giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế, phân tích và triển khai các ứng dụng tương tự Tuy nhiên, tại các tần số cao, Op-Amp đối mặt với những thách thức do hạn chế về tần số hoạt động Ở những tần số đó, Bộ khuếch đại điện dẫn (OTA) được coi là một phương tiện hứa hẹn và tiềm năng để thay thế Op-Amp trong việc xây dựng và thiết kế mạch Sự phổ biến của OTA đang tăng lên do các ứng dụng tương tự đã được phát triển mạnh mẽ Hiện nay, nhờ vào sự nỗ lực không ngừng của các nhà nghiên cứu vi mạch tương tự và sự tiến bộ trong công nghệ bán dẫn, các OTA được báo cáo có thể hoạt động ở tần số lên đến vài trăm MHz Có những dự đoán cho rằng tần số hoạt động của OTA có thể lên đến 10 GHz, đặc biệt là trong các ứng dụng vi sóng Ngoài ra, việc phát triển OTA cũng mang lại nhiều lợi ích cho sự tiến bộ của các thiết bị điện tử trong tương lai, không chỉ giới hạn trong các ứng dụng tương tự mà còn trong các lĩnh vực khác.
OTA – (Operational Transconductance Amplifier): Là bộ khuếch đại có điện áp đầu vào vi sai và tạo ra dòng điện ở đầu ra Dòng điện được điều khiển bằng điện áp OTA có một số điểm tương tự như Op-amp: ví dụ như có trở kháng đầu vào vô cùng lớn, có phản hồi âm OTA có thêm một dòng vào để điều khiển bộ khuếch đại.
Các bộ khuếch đại transconductance hoạt động (OTA) là các bộ khuếch đại có điện áp đầu vào di động tạo ra một dòng điện đầu ra Hoạt động lý tưởng được đặc trưng bởi giai đoạn đầu vào trở kháng cao và giai đoạn đầu ra trở kháng cao
Mạch khuếch đại OTA (Operational Transconductance Amplifier) là một loại khuếch đại điện áp thông thường được sử dụng trong thiết kế các mạch tương tự và hệ thống tín hiệu kỹ thuật kết hợp Nó hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện áp vào tín hiệu dòng, thay đổi dòng điện đầu ra tương ứng với tín hiệu đầu vào Cụ thể, mạch OTA thực hiện chức năng khuếch đại dòng (transconductance), trong đó dòng điện ra phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển (thường là điện áp).
2.2.2 Đặc điểm của OTA Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại bao gồm có cả đầu vào đảo và đầu vào không đảo, mạch khuếch đại thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu vào vi sai này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào.
Bộ khuếch đại dòng chuyển tiếp (OTA) là các bộ khuếch đại mà điện áp đầu vào độc lập tạo ra một dòng điện đầu ra Hành vi lý tưởng của nó được đặc trưng bởi một giai đoạn đầu vào có điện trở đầu vào cao và một giai đoạn đầu ra có điện trở đầu ra cao
Hình 2 6: Cấu trúc lý tưởng và mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của OTA
Với điều kiệu một OTA là lý tưởng thì phương trình dòng lý tưởng là :
I out = ( V ¿ +¿ ¿ - V ¿ −¿ ¿ ) g m hay: I out =g m V id Điện áp đầu ra: V out =I out R tải Độ tăng điện áp: G = R tải g m trong đó:
V ¿ +¿ ¿ : là điện áp đầu vào không đảo
V ¿ −¿ ¿ : là điện áp đầu vào đảo
I out : dòng điện đầu ra
Hàm truyền lý tưởng của cấu trúc này là độ hỗ dẫn điện được ký hiệu bằng gm Cấu trúc OTA bao gồm hai giai đoạn Đầu tiên là khuếch đại đầu vào vi sai, tạo ra sự dao động của dòng điện dưới dạng phản ứng với từng điện áp đầu vào (V+ và V-) Giai đoạn hai được thực hiện bằng gương dòng tạo ra các dao động biến thành dòng điện đầu ra và cũng làm giảm dòng
Công nghệ MOS được sử dụng rộng rãi trong thiết kế OTA do tiêu thụ công suất thấp hơn,trở kháng vô hạn đầu vào vi sai (ngay cả trong các mạch vòng hở ) và khả năng đạt được độ hỗ dẫn điện rất thấp (ở mức uS, nS và hơn thế nữa ) Đáp ứng độ dẫn của cặp đầu vào vi sai không phải là hàm tuyến tính của điện áp đầu vào vi sai của nó Điều này được gây ra bởi các phương trình mô tả các transistor MOS và vùng hoạt động của trans.
2.2.3 Các cấu trúc cơ bản của OTA
Thiết kế tương tự có cấu trúc dựa trên ý tưởng rằng một ô tương tự có thể được chia thành các cấu trúc tương tự cơ bản Cấu trúc tương tự cơ bản là một khối xây dựng tương tự nhỏ bao gồm một hoặc nhiều bóng bán dẫn Chúng ta có thể mô tả nó bằng một tập hợp các tham số thiết kế ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch Từ quan điểm này, quy trình thiết kế trở nên giống nhau đối với cả mạch đơn giản và mạch phức tạp hơn Phần này tập trung vào các cấu trúc tương tự cơ bản được sử dụng để kiểm tra việc phân chia mạch Cấu trúc tương tự cơ bản được mô tả là một tập hợp gồm một hoặc nhiều bóng bán dẫn được kết nối theo một cách cụ thể để thực hiện chuyển đổi điện áp thành dòng điện, chuyển đổi dòng điện sang điện áp hoặc cả hai Cấu trúc như vậy đòi hỏi độ lệch dòng điện hoặc điện áp, điều này một lần nữa được thực hiện bằng cấu trúc tương tự cơ bản khác.
Tên cấu trúc tương tự
Sơ đồ Mô tả cơ bản
Cấu trúc nguồn chung (nguồn kết nối với nguồn cung cấp điện áp DC, đầu ra tại cổng và đầu ra ở đầu cổng ), chuyển đổi điện áp thành dòng điện.
(Cổng chung) Cấu trúc cổng chung
(cổng được kết nối với nguồn điện áp DC, đầu vào tại cổng và đầu ra tại cực nguồn), chuyển đổi điện áp thành dòng điện
Cascode Cấu trúc Cassode, được sử dụng trong điện áp để chuyển đổi tín hiệu hiện tại, trong giai đoạn nguồn và cổng chung và nó có trở kháng đầu ra cao
Cấu trúc vi sai cascode Cấu trúc cặp vi sai được mã hóa, chuyển đổi điện áp đầu vào vi sai thành dòng điện và cũng được sử dụng làm biến thể cặp vi sai
Cấu trúc gương dòng cho dòng điện chạy qua một thiết bị hoạt động bằng điều khiển dòng, và giữ cho dòng điện đầu ra không đổi bất kể tải có được sử dụng để chia dòng điện
Cấu trúc gương dòng cascode Cấu trúc gương dòng cascode, sao chép dòng điện chính xác, nó được sử dụng để nhân hoặc chia dòng điện và có trở kháng đầu ra cao
Cấu trúc cascode gấp, được sử dụng để chuyển đổi điện áp thành dòng điện và cũng là một biến thể giai đoạn cascode
Bảng 1: Các cấu trúc tương tự cơ bản
Một trong các bộ phận quan trọng đó chính là Bồ Khuếch Đại Bộ khuếch đại thông dụng thường sử dụng Op-amp và OTA OTA và Op-amp được ứng dụng rộng rãi trong các vi mạch điện tử với chức năng là khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp Trong chuyên ngành kỹ thuật điện tử, OTA và Op-amp được ứng dụng trong các mạch só sánh, mạch chỉnh lưu, mạch lọc, Vì vậy việc nghiên cứu, phát triển và thiết kế OTA và Op- amp là cực kỳ quan trọng với sinh viên chuyên ngành nói riêng và sự phát triển công nghệ về vi mạch điển tử nói chung.
Mạch gương dòng
Trong thiết kế mạch tích hợp tương tự (IC) và trong chính mạch khuếch đại hoạt động, một trong những mạch phụ quan trọng đang được sử dụng rộng rãi là mach gương dòng Mạch gương dòng được thực hiện trong bộ khuếch đại hoạt động như các phần tử thiên vị để cấp nguồn cho tất cả các bóng bán dẫn và hoạt động như tải hoạt động trong bộ khuếch đại để tạo ra mức tăng điện áp AC cao Trong thiết kế đề xuất này, gương dòng đơn giản được sử dụng vì nó tiêu thụ ít năng lượng hơn khi so sánh với gương dòng điện cascode
Hình 2 7: Mạch sử dụng MOSFET tạo nguồn dòng cơ bản
Mối liên kết giữa Q 1 và Q 2 cung cấp dòng đầu ra I O liên hệ với dòng tham chiếu
I REF bởi tỷ lệ W và L của các transistor Nói cách khác, quan hệ giữa I O và I REF được xác định bởi cấu tạo của các transistor Trong trường hợp đặc biệt của các transistor giống nhau, I o = I REF và mạch điện đơn giản là sao chép hoặc phản ánh lại dòng tham chiếu ở đầu ra Điều này tạo ra mạch điện kết hợp bởi Q 1 và Q 2 có tên là mạch gương dòng.
Transistor Q1, cực máng nối với cực cổng, do đó khiến cho transistor phải làm việc ở chế độ bão hòa với:
2Kn ' ( W L ) 1 ¿ trong đó: chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh Dòng cực máng của Q 1 được cung cấp bởi V DD thông qua điện trở R, trong hầu hết các trường hợp sẽ nằm ngoài IC Vì các dòng cổng bằng không,
R trong đó :dòng qua R được coi là dòng tham chiếu của nguồn hiện tại và được ký hiệu là I REF
Transistor Q2: cùng thông số V GS với Q1, do đó, nếu chúng ta giả sử rằng nó đang hoạt động ở trạng thái bão hòa thì dòng cực máng nó là Io của nguồn hiện tại, sẽ là
Trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh Công thức liên hệ đầu ra I o với dòng tham chiếu IREF như sau:
I REF =( W L ) 2 ( W L ) 1 Để vận hành đúng cách, đầu ra đầu ra, nghĩa là cổng của Q 2 , phải được kết nối với một mạch điện để đảm bảo rằng Q 2 hoạt động ở trạng thái bão hòa.
Trong thiết kế mạch tích hợp tương tự (IC) và trong chính mạch khuếch đại hoạt động, một trong những mạch phụ quan trọng đang được sử dụng rộng rãi là mach gương dòng. Mạch gương dòng được thực hiện trong bộ khuếch đại hoạt động như các phần tử thiên vị để khuếch đại để tạo ra mức tăng điện áp AC cao Trong thiết kế đề xuất này, gương dòng đơn giản cấp nguồn cho tất cả các bóng bán dẫn và hoạt động như tải hoạt động trong bộ được sử dụng vì nó tiêu thụ ít năng lượng hơn khi so sánh với gương dòng cascade
Mặt khác, V DS 1 phải lớn hơn V T 2 như sau:
Với các điều kiện này, phương trình MOSFET ở chế độ bão hòa như sau:
V DS1 λ) Ảnh hưởng của V o lên I o : trong những mô tả trên cho quá trình làm việc của nguồn dòng trong hình Hình 2 1, ta đã giả thiết rằng Q 2 đang làm việc ở vùng bão hòa Điều này là cần thiết để Q 2 cung cấp dòng điện đầu ra có giá trị không đổi.Q 2 đã bão hòa, mạch điện phải được thiết lập điện áp cực máng V O thỏa mãn quan hệ:
V O ≥ V GS −V T Dòng cực máng của I 0 = I REF ở cùng giá trị v OV làm cho hai linh kiện có cùng V DS , tức là,
V 0 = V GS Khi V 0 vượt quá giá trị này, I 0 sẽ tăng khi trở kháng ra R 02 của Q 2 tăng Điều này được thể hiện I 0 và V 0, và Q 2 đang làm việc ở V GS không đổi, đường cong là đường cong đặc tính I D - V DC của Q 2 khi V GS bằng với giá trị V GS
Hình 2 8: Đặc tính đầu ra điện cực nguồn và sự biến đổi của Q 2 tương ứng với Q 1
2.3.1 Hạn chế của mạch gương dòng
Mạch lý tưởng và mạch thực tế, hai cái này hoàn toàn khác nhau Trong thực tế không có gì gọi là hoàn hảo hay lý tưởng Tuy nhiên, trước khi hiểu được những hạn chế của các mạch gương dòng đối với các ứng dụng trong thực tế, người ta cần hiểu về điện áp và nguồn trong lý tưởng và thực tế của chúng.
Nguồn điện áp là một thiết bị có khả năng cung cấp điện áp cố định và ổn định cho tải Trong thuật ngữ lý tưởng, nguồn điện áp sẽ cung cấp một điện áp cố định liên tục mà không phụ thuộc vào dòng tải Do đó, chúng ta có thể kết nối bất kỳ điện trở tải nào qua nguồn điện áp lý tưởng và có được điện áp ổn định và cố định Đây không phải là trường hợp trong nguồn điện áp trong thế giới thực Trong thực tế các nguồn điện áp như pin, nguồn điện, vv không thể cung cấp dòng điện vô hạn hoặc vô hạn cho các phụ tải. Trong trường hợp mạch gương dòng, điện áp và nguồn dòng là lý tưởng Nhưng trong thực tế, bao gồm cả tiếng ồn, dung sai, gợn sóng do đó điện áp đầu ra thay đổi Tất cả điều này ảnh hưởng đến đầu ra gương dòng.
Không chỉ điều này, mà về mặt lý thuyết trong các mạch gương dòng lý tưởng, trở kháng AC là vô hạn Mạch gương dòng trong thực tế có trở kháng hữu hạn Ngoài ra việc thực hiện mạch tạo ra điện dung ký sinh dẫn đến giới hạn tần số.
2.3.2 Ứng dụng của mạch gương dòng
Mạch gương dòng hay còn gọi là mạch đồng pha là một kiểu mạch điện tử được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Có nhiều ứng dụng của mạch gương dòng trong lĩnh vực sản xuất mạch tích hợp Nguồn dòng tham chiếu được tạo bằng cách sử dụng mạch gương dòng Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, nhiều điểm tham chiếu có thể được tạo từ một nguồn duy nhất Do đó, thay đổi một điểm tham chiếu cũng thay đổi nguồn dòng trên các phần khác nhau của mạch.
- Biến đổi động năng điện (AC) thành năng lượng điện (DC)
- Ứng dụng trong hệ thống điều khiển: Mạch gương dòng có thể được sử dụng để cung cấp một tín hiệu phản hồi cho hệ thống điều khiển, giúp điều chỉnh các thông số như dòng điện, điện áp, hoặc tần số.
- Mạch bù công suất: Mạch gương dòng cũng được sử dụng trong các ứng dụng bù công suất trong hệ thống điện, giúp cải thiện hiệu suất và ổn định của hệ thống.
- Cảm biến dòng điện: Mạch gương dòng có thể được sử dụng để đo lường dòng điện trong các ứng dụng cảm biến
Cấu hình OTA Three current mirror
Cấu hình OTA Three Current Mirror là một loại mạch gương dòng (current mirror) sử dụng trong các mạch phản hồi tự động (OTA - Operational Transconductance Amplifier) trong điện tử kỹ thuật số và analog Cấu hình này dựa trên việc sử dụng ba mạch gương dòng để tạo ra một dòng điện đầu ra có tỷ lệ với dòng điều khiển.
Cấu hình này thường được sử dụng trong các mạch OTA với mục đích tăng độ chính xác và đáng tin cậy của dòng điện đầu ra Các thành phần chính của cấu hình OTA Three Current Mirror
Hình 2 9 Mạch OTA sử dụng cấu hình three current mirror
- Mạch gương dòng thứ nhất : Đây là gương dòng được sử dụng để tạo ra một dòng điện tham chiếu Dòng điều khiển được áp dụng ở đầu vào của gương dòng này để xác định dòng điện tham chiếu.
- Mạch gương dòng thứ hai : gương dòng này được kết nối song song với ánh gương dòng thứ nhất Nó tạo ra một dòng điện đầu ra phản ứng với dòng điều khiển từ gương dòng chính
- Mạch gương dòng thứ ba: Thường được sử dụng để cung cấp dòng điện đầu ra cuối cùng hoặc có thể kết nối với các phần mạch khác nhau để đạt được mục đích cụ thể của mạch OTA.
Cấu hình này cho phép mạch OTA tạo ra một dòng điện đầu ra có độ chính xác cao và ổn định, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạch Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như các bộ xử lý tín hiệu, mạch khuếch đại, và các ứng dụng khác yêu cầu độ chính xác và ổn định cao trong điện tử analog.
2.4.1 Một số công thức cơ bản Độ hỗ dẫn: G m =βgg m1=βg √ K P n L W 1 I tai Độ dẫn đầu ra: g out =βg Itai
Tỉ số loại bỏ chế độ chung: CMRR= 20log Ad Ac
Hệ số khuếch đại chế độ chung (AC): AC = 20log Vout Vin
Hệ số khuếch đại chế độ vi sai (AD): AD = 20log Vout Vin
Công suốt tiêu thụ: Pdiss = ( I Tai +I 6 +I 5 )∗ ( V DD +| V SS | )
Tỷ số điện tích giữa các Trans B= ( W L ) 8
Hệ số khuếch đại: A v2=−( g ds6 gm +g 6 ds 8 )
2.4.2 Cấu trúc của OTA Three current mirror
Mạch OTA sử dụng cấu hình three current mirror bao gồm hai tầng chính:
Tầng khuếch đại vi sai ( Differential Amplifier Staga): Tầng này chứa các transistor và mạch gương dòng để tạo ra một dòng điều khiển chính xác dựa trên tín hiệu đầu vào Trong cấu hình Three Current Mirror, cặp vi sai đầu vào thường được sử dụng để tạo ra dòng điều khiển, và các mạch gương dòng được sử dụng để điều chỉnh và duy trì dòng điều khiển này ổn định và chính xác.
Tầng nguồn chung ( Common-Source Stage ): Tầng này thường được sử dụng như một giai đoạn khuếch đại cuối cùng hoặc làm giai đoạn đầu ra của mạch OTA Nó nhận dòng điều khiển từ tầng khuếch đại vi sai và tạo ra một tín hiệu điện áp hoặc dòng điều khiển cuối cùng cho mạch.
• Tầng khuếch đại vi sai Đây là tầng quan trọng nhất của mạch OTA dưới đây là phân tích chi tiết về tầng khuếch đại:
Cặp vi sai đầu vào: Tầng khuếch đại vi sai bắt đầu với một cặp transistor hoạt động như cặp vi sai đầu vào Thường là hai transistor NMOS được kết nối đồng dạng hoặc đối xứng, trong trường hợp này, chúng có thể là M1 và M2 Cặp vi sai này nhận các tín hiệu đầu vào và tạo ra một dòng điều khiển phản ứng với sự khác biệt giữa chúng.
Mạch gương dòng: Các mạch gương dòng sử dụng các transistor để tạo hoặc duy trì một dòng điện cố định Trong cấu hình Three Current Mirror, các mạch gương dòng được sử dụng để điều chỉnh và duy trì dòng điều khiển từ cặp vi sai đầu vào Bằng cách này, chúng giúp duy trì độ ổn định và chính xác của dòng điều khiển, làm cho mạch OTA hoạt động đúng cách.
Dòng điều khiển chính xác: Kết hợp cặp vi sai đầu vào và các mạch gương dòng, tầng khuếch đại vi sai tạo ra một dòng điều khiển chính xác phản ứng với tín hiệu đầu vào Điều này là quan trọng để điều chỉnh và kiểm soát tín hiệu đầu ra của mạch OTA
Tầng giai đoạn nguồn chung (Common-Source Stage) thường được sử dụng như một giai đoạn khuếch đại cuối cùng hoặc làm giai đoạn đầu ra của mạch Dưới đây là phân tích chi tiết về tầng giai đoạn nguồn chung:
Đầu vào từ tầng khuếch đại vi sai: Tầng giai đoạn nguồn chung nhận dòng điều khiển từ tầng khuếch đại vi sai Điều này thường được thực hiện thông qua kết nối trực tiếp hoặc thông qua các mạch nối tiếp
Khuếch đại và điều chỉnh tín hiệu: Tầng giai đoạn nguồn chung thực hiện chức năng khuếch đại cuối cùng hoặc điều chỉnh tín hiệu đầu ra của mạch Dòng điều khiển từ tầng khuếch đại vi sai được sử dụng để điều khiển các transistor trong giai đoạn này, tạo ra một tín hiệu điện áp hoặc dòng điều khiển cuối cùng tương ứng với yêu cầu của ứng dụng cụ thể.
Chức năng khuếch đại cuối cùng hoặc đầu raTùy thuộc vào cấu trúc cụ thể của mạch và yêu cầu của ứng dụng, tầng giai đoạn nguồn chung có thể thực hiện chức năng khuếch đại cuối cùng để tăng độ lớn của tín hiệu hoặc thực hiện chức năng đầu ra để tạo ra một tín hiệu điện áp hoặc dòng điều khiển sẵn sàng cho các giai đoạn tiếp theo hoặc cho việc kết nối với các thành phần ngoại vi.
Ý tưởng thiết kế
Khi thiết kế một mạch OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror, ý tưởng chính là tạo ra một mạch khuếch đại dòng điều khiển có độ chính xác cao và ổn định Cấu hình này sử dụng ba mạch gương dòng để cung cấp dòng tham chiếu và phân cực cho cặp vi sai đầu vào, giúp duy trì hiệu suất và độ tin cậy của mạch ổn định qua thời gian và điều kiện hoạt động khác nhau. Ý tưởng chính của thiết kế là sử dụng các transistor để sao chép hoặc duy trì các dòng điện cố định, đặc biệt là dòng tham chiếu và dòng phân cực Cặp vi sai đầu vào,thường là hai transistor NMOS, nhận các tín hiệu đầu vào và tạo ra một dòng điều khiển phản ứng với sự khác biệt giữa chúng Các mạch gương dòng được sử dụng để điều chỉnh và duy trì dòng điều khiển này ổn định và chính xác.
Với ý tưởng này, mạch OTA Three Current Mirror có khả năng cung cấp một dòng điều khiển ổn định và chính xác, làm tăng hiệu suất và độ tin cậy của mạch Việc sử dụng ba mạch gương dòng giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của dòng điều khiển, làm cho mạch hoạt động đúng cách dưới nhiều điều kiện khác nhau Thiết kế của mạch OTA Three Current Mirror là tạo ra một cấu trúc mạch khuếch đại dòng điều khiển có độ chính xác và ổn định cao, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mạch trong các ứng dụng điện tử.
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ
Tính toán và lựa chọn thông số
Mạch OTA dùng cấu hình Three Current Mirror được chọn thiết kế như sau:
Hình 3 1: Mạch OTA dùng cấu hình Three Current Mirror 3.1.1 Lựa chọn thông số
OTA với cấu trúc liên kết đối xứng hoặc cân bằng được xây dựng từ bốn gương dòng điện đóng vai trò như là hoạt động tải OTA đối xứng còn được gọi là OTA ba gương dòng trong đó cặp đầu vào vi sai bao gồm hai bóng bán dẫn NMOS có biên tần và gương dòng đơn giản được thông qua để phân cực các biến tần trong mạch.
Bảng 2: Yêu cầu thiết kế cụ thể bộ OTA Three Current Mirror
Tín hiệu đầu vào Vsin VOFF = 0,VAMPL=0.001, FREQ%0,
AC=0.1m Tín hiệu đầu vào Vpulse TDu, TR=0.01u, TF=0.01u,
Bảng 3: Các thông số kĩ thuật 3.1.2 Tính toán thông số
- Tính dòng phân cực với tốc độ biến đổi lớn nhất của tín hiệu đầu ra SR ta có:
Vì M1 và M2 là một cặp vi sai:
- Xác định kích thước W/L của M6 và M8 để đáp ứng thông số điện áp ra VOH, VOL.
- Tính hệ sô khuếch đại tầng 2
Các thông số của Mosfet
Transistor Width(àm) Length(àm)
3.1.3 Kết quả mô phỏng a) Đo hệ số khuếch đại
▪ TD là thời điểm xung bắt đầu ở mức điện áp cao
▪ TR là độ dốc sườn phải của xung
▪ TF là độ dốc sườn trái của xung
▪ PW là độ rộng của xung ở mức 0
▪ PER là độ rộng xung có điện áp mức cao Đo sườn dốc
Sau khi dóng 2 điểm cực của sườn trước ta đo được:
Suy ra: SR= ∆ y ∆ x = −2.2226 − 4.3674 μA s = 19.649V/ μA s c) Đo dải thông
Tiến hành chọn lại chế độ quét AC Sweep và quét tần số của nguồn vào dao động từ 1Hz đến 100MHz với bước nhảy phù hợp
GB= 2.03 MHz d) Khoảng đầu vào đồng pha ICMR Để đo thông số này ta vẫn dùng nguồn vào AC như ở mạch đo dải thông và chọn chế độ
DC sweep quét giá trị điện áp vào.
Các thông số Tiêu chí thiết kế Kết quả mô phỏng
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Từ quá trình tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế mạch OTA Three current mirror, nhóm đã khái quát chung đặc điểm phân loại cũng như thiết kế của bộ OTA Three current mirror Mạch không chỉ là một phần mạch khuếch đại đơn giản mà còn có nhiều ưu điểm như sự ổn định, độ chính xác cao và sử dụng nguồn đơn giản Đặc biệt, mạch này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điện tử tiêu thụ ít năng lượng đến các hệ thống viễn thông và y tế Bên cạnh đó mạch có thể gặp phải sự biến động và không ổn định do các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi của thành phần điện tử, mạch sử dụng nguồn đơn giản tiết kiệm nhưng trong một số trường hợp tiêu thụ năng lượng vẫn có thể cao, đặc biệt khi hoạt động ở mức điện áp và dòng tải cao.
Vì vậy việc nghiên cứu và mô phỏng mạch có vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển IC, các hệ thống điện tử Nhận thức được điều đó điều đó, trong một khoảng thời gian ngắn bằng kiến thức được giảng dạy và thực hành trong môn Thiết kế mạch tích hợp tương tự và dưới sự hướng dẫn giáo viên , nhóm chúng em đã tiền hành tìm hiểu và thiết kế và bộ khuếch đại sử dụng cấu hình OTA three current mirror, qua đồ án đã có thêm kiến thức về thiết kế mạch, thiết kế IC, khả năng sử dụng phần mềm, kỹ năng mô phỏng, word và powpoint Tổng kết lại, chúng em nhận thấy qua đồ án cần có thêm hướng phát triển để mạch có thể hoàn thiện hơn:
- Sử dụng thêm bộ lọc nhiễu ở đầu ra để giảm thiểu của nhiễu điện từ
- Sử dụng mạch bù miller để tăng tốc độ slew rate
- Sử dụng mạch khuếch đại bù đắp để bù đắp cho các hiệu ứng phi tuyến.