V DSSAT, chiều dài của vùng kênh cạn kiệt L cũng tăng, và giá trị hiệu dụng củ aL giảm.
I D = K '
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ VẬT LÝ
3.1 Giới thiệu chương 3.2 Mạch phân cực
Mạch phân cực có nhiệm vụ tạo ra dòng điện phân cực không phụ thuộc vào giá trị nguồn áp, cung cấp dòng phân cực ổn định này cho mạch khuếch đại vi sai và mạch điều khiển tín hiệu đầu ra.
3.2.1 Ý tưởng thiết kế Xét mạch sau:
Hình 3.1 Mạch gương dòng điện sử dụng nguồn dòng lý tưởng
Nếu Iref là một nguồn dòng độc lập (không phụ thuộc vào Vdd) và bỏ qua hiệu ứng điều chế độ dài kênh (λ = 0) thì I_D2 và I_D3 tạo ra sẽ không phụ thuộc vào Vdd. Vậy làm thế nào để tạo ra Iref. Xét trường hợp sử dụng điện trở R1 như hình 3.2:
Hình 3.2 Mạch gương dòng sử dụng điện trở
Ta có:
∆ I
out
Dễ dàng thấy được là nếu dùng điện trở R1 để thay thế nguồn dòng lý tưởng thì dòng ra sẽ phụ thuộc rất nhiều vào Vdd. Vậy nên bắt buộc phải tìm được giải pháp khác. Giải pháp để thiết kế ra một mạch Bias có dòng điện tạo ra không phụ thuộc vào Vdd là mạch phải tự phân cực cho chính nó. Có nghĩa là dòng Iout tạo ra phải độc lập với Vdd, và dòng Iref phải được tạo ra từ dòng Iout bằng một cách nào đó.
Như chúng ta có thể thấy được ở hình 3.3. Dòng Iref được tạo ra từ dòng Iout nhờ cặp current mirror M3 và M4. Với kích cỡ MOSFETs đã chọn như vậy, Iout = K.Iref nếu bỏ qua hiệu ứng điều chế độ dài kênh. Khi các MOSFET mắc theo kiểu Diode được cung cấp dòng từ nguồn dòng, Iout và Iref gần như độc lập với Vdd nếu không xét đến sự thay đổi của Vgs.
Hình 3.3 Mạch self-bias
Nhưng thực tế thì khi Vdd thay đổi, Vgs của các MOSFET có thể cũng thay đổi và làm thay đổi dòng điện. Để dòng điện trong mạch được điều khiển tốt hơn, điện trở Rs được thêm vào cực S của M2 như hình 3.4. Điện trở Rs lúc này đóng vai trò như một điện trở hồi tiếp âm, khi VDD tăng làm cho Iout tăng, áp rơi trên điện trở Rs tăng làm áp Vs(M2) tăng nên Vgs của M2 giảm xuống, làm giảm Iout.
Hình 3.4 Mạch self-bias bổ sung điện trở Rs
Để chứng minh dòng điện trong mạch không phụ thuộc Vdd, ta có:
V GS 1=V
GS 2 +V
Rs
Các MOSFET trong mạch đều được thiết kế để nằm trong vùng bão hòa. Vậy nên:
I D =1 2 β(V GS−V th )2 vớiβ=μ . Cox . W L →VGS=√2 I D +V th β Vậy nên: √ 2 βI1ref +Vth1=(√2 βIout2 +Vth2)+ Iout RS →I out = R22 . β (1−√K1 )2 S
Chúng ta có thể dễ dàng thấy được nếu bỏ qua hiệu ứng điều chế độ dài kênh thì dòng Iout lúc này không còn phụ thuộc vào Vdd mà chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ.
Tuy nhiên, khi MOSFET còn nằm trong vùng đảo mạnh (strong inversion), dòng điện tạo ra lúc này vẫn còn phụ thuộc lớn vào nhiệt độ và tiến trình do vẫn còn ảnh hưởng bởi beta trong công thức đã chứng minh ở trên, vì vậy người ta thường thiết kế sao cho các MOSFET đều hoạt động ở vùng Subthreshold (V_GS≈V_th).. Ta có dòng của MOSFET trong vùng Subthreshold là:
ID=ID0.
→V GS =n . V T . ln (IIDD0 . . LW ) Từ hệ thức trên, ta có:
n . V T . ln (IIDref0 ..WL11 )=n . V T . ln (IIDout0..WL22 )+ I out . RS
→Iout =n .
RV T ln ( K )
S
3.2.2 Mạch khởi động
Mạch khởi động đóng một vai trò rất quan trọng trong khối Bias. Nó giúp đưa mạch từ điểm làm việc chết (dòng điện bằng 0) đến điểm làm việc bình thường (Iout ổn định). Tuy nhiên, mạch khởi động thông thường vẫn tiêu thụ một dòng điện không đổi sau khi mạch đạt trạng thái ổn định. Điều này làm cho mạch tiêu tốn năng lượng hơn.
Hình 3.5 Mạch khởi động (gạch nét đứt xanh)
Khi đặt nguồn Vddq vào mạch, tất cả các MOSFET đều ngắt và dòng qua các MOSFET đều bằng 0. Để vượt qua trạng thái này, mạch khởi động tạo ra một dòng điện ban đầu từ VDDQ sang P18 và N34 xuống VSS.
Có 2 điểm làm việc cần chú ý của mạch khởi động (Hình 3.6):
- Ban đầu lúc Iref = Iout = 0. Khi Vddq tăng làm Vout cũng tăng. Khi Vout > Vthn làm dẫn N34. VGS(P18) xuống thấp làm dẫn P18. Tạo ra dòng điện ban đầu.
- Lúc Vddq tăng, dòng Iout và Iref cũng tăng, dẫn đến dòng qua điện trở R33 tăng và áp rơi trên R33 cũng tăng, Vout giảm. Khi Vout < Vthn, N34 ngắt.
Hình 3.6 Hai điểm làm việc chính của mạch khởi động
Nguyên lý hoạt động của mạch khi có mạch khởi động như sau:
- Khi Vddq tăng, Vout tăng, VG của N34 tăng, N34 bắt đầu dẫn, VD và VG của P18 kéo xuống mức thấp làm P18 và P19 dẫn. P18 và P19 có cùng VGS và có cùng size, P19 thiết kế hoạt động trong vùng bão hòa nên ID18 = ID19.
- Khi P19 dẫn, VD và VG của N22 kéo lên mức cao, đồng thời VG của N21 cũng lên cao làm N22 và N21 bắt đầu dẫn.
- Đồng thời, khi VG của P18 xuống thấp cũng làm cho VG của P30 xuống thấp, P30 dẫn, VG của N31 tăng làm N31 dẫn, VBN tăng, đồng thời N32 dẫn, có dòng qua R33 làm Vout giảm. Khi Vout giảm xuống thấp hơn Vth, N34 ngắt khỏi mạch.
- Khi Vddq tăng, dòng Iout cũng tăng, dòng Iout đạt trạng thái ổn định khi Vddq ổn định.
3.2.3 Thiết kế giá trị linh kiện
Mạch phân cực có cấu trúc đầy đủ như hình 3.7.
Hình 3.7 Cấu trúc đầy đủ của mạch phân cực
Dựa trên công thức dòng điện của mạch Bias đã chứng minh ở trên:
I out= n .V T
ln ( K )
RS
Với n = 2 (vật liệu chế tạo là silicon).V T =11586T
Chọn dòng Bias là 100µA và hệ số K = 16, nhiệt độ là 25°C. Dễ dàng tính được giá trị điện trở Rs là 1.4kΩ.
Tăng dần kích thước của N21 và N22 lên sao cho cả 4 MOSFET đều ở trong vùng bão hòa. Khi kích thước N21 và N22 tăng lên thì các MOSFET đều tiến vào vùng bão hòa là do khi W của N21 và N22 nhỏ, do các MOSFET lúc này không nằm trong vùng đảo yếu cho nên dòng điện trong mạch vẫn theo công thức:
2I I out= R22 . β (1−√K1 ) S
Do đó, khi W nhỏ thì beta cũng nhỏ, dòng điện trong mạch lớn, N22 mắc theo kiểu diode nên nó luôn ở trong trạng thái bão hòa, dòng điện qua N22 được xác định theo công thức:
I D 22= 1
2 β (V GS 22−V th 22)2
Dòng Id22 lớn, mà beta của N22 nhỏ nên Vgs của N22 phải lớn để đáp ứng được dòng điện, mà Vgs22 = Vds22 lớn nên Vsd của P19 nhỏ làm P19 rơi vào vùng tuyến tính.
Chứng minh tương tự với nhánh còn lại, khi dòng lớn thì cũng làm N21 rơi vào vùng tuyến tính. Vì vậy cần tăng kích thước của N21 và N22 lên đủ lớn để tất cả đều bão hòa.
Ngoài ra còn cần phải tính được giá trị của mạch khởi động. Khi mạch thiết lập được giá trị dòng phân cực ổn định là 100uA, N34 cần phải ngắt khỏi mạch, suy ra Vgs của N34 phải bé hơn Vth của N34 (khoảng 400mV). Chọn Vgs của N34 lúc này bằng 200mV.
Ngoài ra để Vf nhỏ thì điện áp rơi trên R33 cần phải lớn, nên R33 cần có giá trị khá lớn, chọn R33 = 15kΩ.
→I = V
= 1.8−0.2
≈ 100uA
R 15000
Tăng W của N32 lên sao cho dòng qua N32 khoảng 100uA. 3.2.4 Thiết kế vật lý mạch phân cực
3.2.4.1 Phác thảo vật lý
Việc tổ chức sắp xếp mỗi thiết bị trong một khối, mỗi khối trong một mạch kết hợp với các kỹ thuật trong thiết kế vật lý được gọi là phác thảo vật lý (Floorplan). Phác thảo vật lý ước tính vị trí của các thiết bị đảm bảo các kết nối giữa các thiết bị được tối ưu nhất.
Hình 3.8 Phác thảo vật lý khối phân cực
- Các khối tương ứng được xếp gần nhau để tối ưu hoá các đường kết nối.
- Các khối đều được thêm 2 thiết bị giả ở 2 cạnh, chia sẻ chung lớp khuếch tán một cách liên tục và có vòng bảo vệ xung quanh.
- Khoảng cách giữa các khối là nhỏ nhất, những khối gần nhau dùng chung Poly của vòng bảo vệ để diện tích được tối ưu nhất.
3.2.4.2 Đi dây
Đi dây các đường tín hiệu quan trọng
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.10 Các đường tín hiệu quan trọng
- Các đường tín hiệu đều được che chắn bởi đất/nguồn.
-Tất cả các đường tín hiệu đều được tối ưu hoá để giảm điện trở và tụ trên đường kim loại, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của mạch.
Đi dây cho nguồn / đất
Hình 3.11 Đường nguồn/đất Hình 3.12 Via
- Các đường nguồn/đất đặt lên đúng với các thiết bị.
- Độ rộng của đường kim loại nguồn/đất và số lượng Via được tối đa hoá. 3.2.4.3 Kết quả kiểm tra