THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0.5um (có code và layout)

THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ...............

THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0.5um MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VI MẠCH 1.1.1 Lịch sử .1 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Phân loại 1.2 TỔNG QUAN VỀ MẠCH DAO ĐỘNG VCO CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 2.1 SƠ ĐỒ MẠCH .4 2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC THI .5 3.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2 ĐÁNH GIÁ POWER .6 3.3 ĐÁNH GIÁ DELAY .6 3.4 SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN 3.5 THIẾT KẾ LAYOUT .8 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .9 4.1 KẾT LUẬN 4.2 ỨNG DỤNG 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .9 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 PHỤ LỤC 13 DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH - 1: MẠCH MƠ PHỎNG Y HÌNH - 1: SĨNG MƠ PHỎNG HÌNH - 2: ĐÁNH GIÁ POWER HÌNH - 3: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN SỬ DỤNG HÌNH - 4: MẠCH LAYOUT HÌNH - 5: MƠ TẢ RTL MỘT CỔNG ĐẢO BA TRẠNG THÁI HÌNH - 6: MƠ TẢ RTL CỔNG ĐẢO BA TRẠNG THÁI KẾT NỐI VỚI NHAU HÌNH - 1: SƠ ĐỒ KHỐI VỊNG KHÓA PHA .10 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor VCO Voltage Control Oscillator TTL Transistor-Transistor Logic IC Integrated Circuit SSI Small-Scale Integration MSI Medium-Scale Integration LSI Large Scale Integrated VLSI Very Large Scale Integrated ULSI Ultra-Large-Scale Integration ROM Read-Only Memory CPU Central Processing Unit GPU Graphics Processing Unit RAM Random Access Memory ASIC Application-Specific Integrated Circuit DSP Digital Signal Processing ADC Analog-To-Digital Converter DAC Digital Analog Converter FPGA Field-Programmable Gate Array RFID Radio Frequency Identification ALU Arithmetic Logic Unit Trang 1/15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Tổng quan thiết kế vi mạch 1.1.1 Lịch sử  Công nghệ cmos phát minh vào năm 1963 hãng Fairchild Semiconductor Vào năm 1968, mạch tích hợp cmos được sản xuất nhóm nghiên cứu RCA Khởi đầu, cmos xem giải pháp thay TTL để có vi mạch hoạt động chậm TTL tiêu hao lượng TTL 1.1.2 Khái niệm  Vi mạch gọi chip (theo thuật ngữ tiếng anh) mạch điện tử chứa linh kiện bán dẫn linh kiện điện tử thụ động Các phần tử kết nối với nhờ vật liệu kim loại phủ bề mặt chip Vi mạch có kích thước micromet (hoặc nhỏ hơn) chế tạo công nghệ silicon cho lĩnh vực điện tử học 1.1.3 Phân loại  Theo tín hiệu xử lý  IC digtal xử lý lưu trữ tín hiệu digtal  IC analog hay IC tuyến tính xử lý tín hiệu analog  IC hỗn hợp, có analog digtal  Theo mức độ tích hợp  IC Còn chia SSI MSI  LSI (Large Scale Integrated)  VLSI (Very Large Scale Integrated) Các CPU, GPU, ROM, RAM, PLA, chipset, microcontroller,  ULSI (ultra-large-scale integration) dự đặt cho mạch triệu transistor  Theo công nghệ Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 2/15  Monoithic: tất phần tử đặt miếng vật liệu bán dẫn đơn tinh thể Các linh kiện điện tử tạo pha tạp chất theo thứ tự lớp thực lai ghép điện trở, đường mạch dẫn, tụ điện, lớp cách điện, cực gate MOSFET  Mạch màng mỏng hay mạch phim: phần tử tạo lắng đọng thủy tinh Nó thường mạng điện trở Chúng chế tạo cách cân điện tử với độ xác cao phủ nhúng bảo vệ Trong nhóm bao gồm mạch transistor màng mỏng  Lai mạch màng dày kết hợp số chip, vết mạch in đường dây dẫn, linh kiện điện tử thụ động Nền thường gốm thường nhúng tráng  Theo công dụng  CPU, vi xử lý máy tính  Memory, nhớ lưu trữ liệu digital  Thu nhỏ chip công nghệ RFID để giám sát (Identification) không tiếp xúc đối tượng hay sinh vật sống  IC logic tiêu chuẩn thuộc họ logic khác  ASIC dành cho phát triển ứng dụng cụ thể, ví dụ cho điều khiển lò nướng bánh, xe hơi, máy giặt,  ASSP sản phẩm tiêu chuẩn cho ứng dụng cụ thể, tương tự ASIC, có sẵn từ nhà sản xuất không xây dựng theo yêu cầu khách hàng  IC cảm biến trình vật lý, hố, sinh hố, ví dụ gia tốc, ánh sáng, từ trường, chất độc,  DSP (Digital signal processing) xử lý tín hiệu digital  ADC DAC, chuyển đổi analog digital Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 3/15  FPGA (Field-programmable gate array) cấu hình IC digital khách hàng, bao gồm số lượng lớn đơn vị chức kết nối (interconnectable)  Vi điều khiển (microcontroller) chứa tất phận máy tính nhỏ (bộ nhớ chương trình, ALU, nhớ ghi)  IC cơng suất xử lý dòng hay điện áp lớn (ví dụ khuếch đại cơng suất lớn, kiểm sốt mạng điện lưới)  System-on-a-chip (SoC) hệ thống chip 1.2 Tổng quan mạch dao động VCO  VCO mạch dao động điện tử có tần số dao động điều khiển điện áp Điện áp đầu vào xác định tần số dao động tức thời Yêu cầu chung mạch dao động VCO quan hệ điện áp điều khiển tần số phải tuyến tính Ngồi mạch có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi tần số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch  Về nguyên tắc dùng mạch dao động tần số dao động biến biến thiên phạm vi + 10% ÷ + 50% xung quanh tần số dao động tự Tuy nhiên dao động tạo xung chữ nhật sử dụng rộng rãi loại làm việc phạm vi tần số rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz) Trong phạm vi từ 1MHz đến 50MHz thường dùng mạch dao động đa hài CHƯƠNG 1.3 Sơ đồ mạch Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um THIẾT KẾ MẠCH Trang 4/15 Hình - 1: Mạch mô 1.4 Nguyên lý hoạt động  Khi ngõ vào Vcontrol lúc N1, N2, N3, N4 xuống đất P1, P2, P3, P4 dẫn Lúc ngõ đèn nhấp nháy  Khi ngõ vào Vcontrol khơng lúc N1, N2, N3, N4 không dẫn P1, P2, P3, P4 mức Hi-Z Lúc ngõ khơng đèn tắt CHƯƠNG 1.5 Kết mô Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um KẾT QUẢ THỰC THI Trang 5/15 Hình - 1: Sóng mơ  Vcontrol mức mạch không hoạt động  Vcontrol mức mạch dao động 1.6 Đánh giá power Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng cơng nghệ CMOS 0.5um Trang 6/15 Hình - 2: Đánh giá power  Tổng công suất tiêu tán: 110.17 mW  Công suất tiêu hao tĩnh: 79.92 mW  Công suất tiêu hao ngõ vào ngõ ra: 30.25 mW 1.7 Sử dụng tài nguyên Hình - 3: Đánh giá tài nguyên sử dụng Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 7/15  Tổng số phần tử logic: / 33.216 (0 % )  Tổng số chức tố hợp: / 33.216 ( % )  Thanh ghi dành riêng logic: / 33.216 ( % )  Tổng ghi:  Tổng số chân: / 475 ( < % )  Tổng số chân ảo:  Tổng nhớ bits: / 483.840 ( % )  Thành phần nhân – bits gán: / 70 ( % ) 1.8 Thiết kế layout Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng cơng nghệ CMOS 0.5um Trang 8/15 Hình - 4: Mạch Layout 1.9 Mô tả RTL cổng đảo ba trạng thái Hình - 5: Mơ tả RTL cổng đảo ba trạng thái 1.10 Mô tả RTL cổng đảo ba trạng thái kết nối với Hình - 6: Mơ tả RTL cổng đảo ba trạng thái kết nối với Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 9/15 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1.11 Kết luận  Mạch mô hoạt động đề tài yêu cầu Thực kit DE2 hoạt động với mô mạch 1.12 Ứng dụng  Mạch dao động VCO sử dụng thực tế nhiều như: thiết bị gây nhiễu điện tử, sản xuất âm nhạc điện tử, vòng khóa pha, thiết bị truyền thông 4.3 Hướng phát triển  Mạch dao động VCO phát triển lên ứng dụng vào mạch vòng khóa pha Nó mạch điện tử sử dụng để khóa tần sơ ngõ mạch dao động điều khiển điện áp với tần số ngõ vào liên tục so sánh pha ngõ vào với ngõ tần số mạch dao động VCO Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 10/15  Sơ đồ khối vòng khóa pha Hình - 1: sơ đồ khối vòng khóa pha  Tách sóng pha: so sánh pha tín hiệu vào tín hiệu VCO để tạo tín hiệu sai lệch Vd(t)  Lọc thông thấp: lọc gợn điện áp Vd(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm đưa vào mạch khuếch đại chiều  Khuếch đại chiều: khuếch đại điện áp chiều Vd(t) để đưa vào điều khiển tần số VCO  VCO: dao động mà tần số điều khiển điện áp đưa vào Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 11/15  Nguyên lý hoạt động mạch vòng khóa pha  Vòng khóa pha hoạt động theo ngun tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào tần số chúng so sánh với pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát điều chỉnh sai số nhỏ tần số tín hiệu vào Nghĩa vòng khóa pha làm cho tần số f tín hiệu VCO bám theo tần số fi tín hiệu vào  Khi khơng có tín hiệu vào vi điện áp ngõ Vout = dao động VCO hoạt động tần số Fn ( tần số cài đặt điện trở tụ điện ngồi )  Khi có tín hiệu vào vi, tách sóng pha so sánh pha tần số tín hiệu vào với tín hiệu VCO Ngõ tách sóng pha điện áp sai lệch Vd(t), sai lệch tần số pha tín hiệu Điện áp Vd(t) lọc lấy thành phần biến đổi chầm nhờ LPF, khuếch đại đưa đến ngõ vào VCO, điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào Đến tần số fo VCO gần tần số fi, hệ thống hồi tiếp làm cho VCO đồng ( khóa ) theo tần số tín hiệu vào Ở trang thái (lock) tần số fo VCO đồng ( ) tần số vào fi, trừ sai biệt pha Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 12/15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Thiết kế vi mạch CMOS VLSI, Tống Văn On [2] Bài giảng thiết kế hệ thống VLSI, Phạm Văn Sự, Đặng Hoài Bắc, Mai Linh Hà Nội : Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 2010 Tiếng Anh: [3] Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989) The Art of Electronics (2nd ed.) Cambridge University Press [4] moodle.insa-toulouse.fr [5] tailieu.vn Thiết Kế Mạch Dao Động VCO dùng công nghệ CMOS 0.5um Trang 13/15 PHỤ LỤC  Code cổng ba trạng thái đảo library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity trangthai is port( a: in std_logic; en: in std_logic; b: out std_logic ); end trangthai; architecture tri_state of trangthai is begin process(a,en) begin if (en='0') then b