Luận văn trình bày sơ lƣợc giao diện phần mềm cadence các công cụ hỗ trợ trong việc thiết kế và mô phỏng. Các tài liệu hƣớng dẫn có thể thao khảo trên internet.
Hình 49 Giao diện phần mềm cadence
Phần mềm cadence chạy trên linux, là phần mềm chuyên dụng thiết kế IC, Cadence hỗ trợ thiết kế mạch điện, mô phỏng và layout. Tập tin công nghệ trong đó định nghĩa các tham số điện của linh kiện sẽ đƣợc liên kết với phần mềm phục vụ cho việc mô phỏng.
Hình 50 Giao diện thiết lập mô phỏng
Cadence hỗ trợ nhiều phƣơng pháp mô phỏng khác nhau, mô phỏng trên miền thời gian(transient), mô phỏng trên miền tần số (AC), mô phỏng giản đồ smith, điểm cực điểm 0. Điểm ƣu việt của Cadence là cho phép thay đổi tham số linh kiện hoặc mạch điện để quét trong các điều kiện khác nhau, cho phép tìm đƣợc giá trị tối ƣu nhất.
3.2 MÔ PHỎNG MẠCH CỘNG HƢỞNG RLC
Mạch điện tƣơng đƣơng của cuộn cảm tích cực là mạch R,L,C song song. Trong mục này sẽ mô phỏng đặc tính về tần số cộng hƣởng, đáp ứng biên độ và pha theo tần số. Là cơ sở để so sánh với đáp ứng của cuộn cảm tích cực. Thay đổi giá trị điện trở, tụ điện, điện cảm để đƣa ra nhận xét về tần số cộng hƣởng và hệ số chất lƣợng của cuộn cảm với các giá trị này, là cơ sở để thiết kế cuộn cảm tích cực.
(a) (b)
Hình 51 Mạch RLC và Zin
Phƣơng pháp đo điện kháng của mạch điện là đặt nguồn dòng với dòng điện xoay chiều IAC=1(A)( trong mô phỏng giá trị dòng xoay chiều không ảnh hƣởng đến điểm làm việc DC của mạch điện, do vậy ta có thể đặt giá trị là 1A, để dễ dàng trong việc tính toán) vào mạch RLC tƣơng đƣơng với Rp thay đổi, L=70nH, Rs=100 Ohm, Co=30fF.Mô phỏng sự thay đổi đáp ứng của mạch điện khi :
Thay đổi Rs = 20 Ohm, 40Ohm,60 Ohm,80 Ohm, 120 Ohm, 140 Ohm.
Nhận xét : thay đổi Rs không làm thay đổi tần số cộng hƣởng của mạch RLC, nhƣng thay đổi hệ số chất lƣợng. Rs càng nhỏ hệ số chất lƣợng càng cao. Do vậy trong thiết kế cuộn cảm tích cực giảm Rs càng nhỏ càng tốt.
Hình 52 Điện kháng của mạch RLC thay đổi Rs
Thay đổi tụ Cp từ 20fF tới 140fF, khi tăng Cp tần số cộng hƣởng giảm và hệ số chất
lƣợng cũng giảm theo. Cp càng nhỏ càng tốt.
Hình 53 Thay đổi Cp
Thay đổi Rp:
Thay đổi Rp từ 10K tới 130K, nhận thấy Rp càng lớn hệ số chất lƣợng càng tăng, tuy nhiên Rp tăng tới một giá trị tới hạn thì hệ số chất lƣợng Q cũng bão hòa, không thể tăng thêm nữa. Rp càng lớn càng tốt.
Hình 54 Thay đổi Rp
Tham số Rp L Cp Rs
Q - tốt Lớn Nhỏ Nhỏ
Tần số cộng hƣởng Không Có Có Không
Bảng 7 Hệ số chất lượng và tần số cộng hưởng phụ thuộc vào Rp,L,Cp,Rs
3.3 MÔ PHỎNG CUỘN CẢM TÍCH CỰC
Mạch điện thực hiện cuộn cảm tích cực Karshilayan-Schaumann, trong đó M10,M12,M15,M18 ,M17,M28 là nguồn dòng. Transitor M1,M4,M4 là các bộ truyền dẫn tƣơng ứng, kích thƣớc các transitor là 3u/200nm. Nguồn dòng có thể thay đổi từ 40uA tới 120uA để thay đổi tần số cộng hƣởng trong khoảng từ 2GHz tới 4GHz. Mạch đƣợc nuôi bởi nguồn VDD=1.8V, transitor M4 đƣợc thiên áp bởi điện áp 1V, để hoạt động trong vùng bão hòa. Theo hình 56, dòng điện I1=2I2, quyết định độ truyền dẫn của cặp M1 và M2. Dòng điện I3 quyết định độ truyền dẫn của M3.
Hình 56 Mô hình tín hiệu nhỏ cuộn cảm Karshilayan-Schaumman
Tham số của mạch điện
3 1 3 1 3 1 3 ~ 0.5 1 1 0.5 loss m m eq m m g r g g Rp g Cp C C L g g (3.1) Tần số cộng hƣởng 1 1 R eq L C (3.2)
Mô phỏng giá trị điện kháng
Hình 58 Điện kháng của cuộn cảm tích cực
Khi tăng dòng điện từ 40u tới 120u, độ truyền dẫn thay đổi, khi dòng càng lớn Gm càng lớn, giá trị cảm nhỏ đi, tần số cộng hƣởng tăng lên.
Hình 59 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm lý tưởng
Hình 60 Đáp ứng biên độ và pha của cuộn cảm tích cực
Mạch điện thể hiện tốt tính chất điện cảm trong dải tần số có pha bằng +90 độ. Khi thay đổi dòng điện bias, giá trị cuộn cảm thu đƣợc
Dòng điện Giá trị cảm 40uA 255nH 60uA 187nH 80uA 115nH 100uA 85nH 120uA 77nH
Bảng 8 Giá trị điện cảm theo dòng điện
Sử dụng chức năng tính toán điểm làm việc (OP- Operating Point) sẽ xác định đƣợc các tham số trong mạch điện.
Các tham số kí sinh quan trọng bao gồm các tụ kí sinh : Cgs, Csd, Cdb. Độ truyền dẫn của transitor nhƣ gm, gmb hoặc tỉ số gm/id.
Hình 61 Cadence tính toán điểm làm việc và các tham số linh kiện
Hình 62 Mạch lọc tích cực bậc 6
Luận văn trình bày mạch lọc tích cực bậc 6, đƣợc ghép từ 3 bộ lọc tích cực bậc 2, trong đó 3 bộ lọc bậc 2, tần số cộng hƣởng sẽ đƣợc điều chỉnh bởi dòng điện I0. Tinh chỉnh bởi điện áp đặt vào VF. Nhƣ vậy sẽ cho phép ta lựa chọn chính xác đƣợc dải tần số, mạch lọc có tính chọn lọc (selectivity) hơn.
Hình 63 Mạch lọc tích cực bậc 2
Nguyên lý làm việc của mạch lọc tích cực bậc 2 đƣợc giải thích nhƣ sau :
Transitor M1 đóng vai trò là tầng khuếch đại lối vào, mắc theo kiểu cực cửa chung ( common gate), tụ điện C lối vào làm nhiệm vụ cách ly một chiều, transitor M2 là bộ đệm lối ra để điều khiển tải và cách ly lối ra với cuộn cảm tích cực. Phần lõi cuộn cảm tích cực nhƣ phần trên đã trình bày. Nút Zin là lối vào của cuộn cảm tích cực.
VF : là PMOS có cực S,D nối đất. Thay đổi VF để thay đổi giá trị tụ điện giữa lớp oxide và kênh dẫn. Tụ điện có giá trị rất nhỏ cỡ <10fF. Thay đổi điện áp VF sẽ tinh chỉnh tần số trung tâm.
3.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Thay đổi dòng I0 từ 40uA tới 120uA, tần số trung tâm thay đổi từ 2GHz tới 4GHz, tại dải tần số thấp 2 GHz, hệ số khuếch đại trong vùng dải thông là 20 lần.
Hình 64 Điều chỉnh tần số trung tâm bằng cách thay đổi dòng I0
Hình 65 Điều chỉnh tần số trung tâm với I0 từ 40uA tới 80uA với bước nhỏ hơn, 5uA.
Dòng bias(uA) fch (GHz) Dải thông (MHz) Q Khuếch đại
40uA 2.168 74 29.3 19.5
45uA 2.320 78 29.7 20.9
50uA 2.453 72 34 20.9
70uA 2.899 93 31.2 14.7
Hình 66 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo dòng điện.
Tinh chỉnh tần số cộng hƣởng bằng cách thay đổi VF, khi thay đổi VF từ 0 tới 1V, dải điều chỉnh tần số cộng hƣởng trong khoảng 60MHz. Hình 67 Tinh chỉnh tần số cộng hưởng bộ lọc bậc 2 VF(V) Tần số cộng hƣởng (GHz) 0 2.718 0.2 2.690 0.4 2.675 0.6 2.666 0.8 2.658 1 2.650
Bảng 9 Điều chỉnh tần số cộng hưởng theo VF
Đáp ứng trong miền thời gian, cho tín hiệu vào hình SIN tại tần số 2GHz, tần số cộng hƣơng, 4GHz quan sát lối ra.
Mô phỏng hệ số tạp:
Hình 68 Tín hiệu vào 2GHz, lối ra bị triệt.
Tín hiệu vào tại tần số cộng hƣởng , lối ra đƣợc khuếch đại
Hình 70 Tại tần số 4GHz, lối ra bị triệt
Mô phỏng hệ số tạp âm (Noise Figure)
Hình 71 Hệ số tạp NF
Tóm lại luận văn trình bày thiết kế và mô phỏng mạch lọc tích cực trong dải tần 2GHz tới 4GHz, độ rộng dải thông ~80MHz, hệ số chất lƣợng 30, hệ số tạp khá cao 40dB tại tần số cộng hƣởng. Mô phỏng trên miền thời gian cho thấy đáp ứng tốt. Để đi tới sản phẩm cần thực hiện layout, mô phỏng sau layout (post layout simulation), thiết kế mạch để kiểm tra, mô hình hóa các thành phần kí sinh do dây bonding..
KẾT LUẬN
Luận vặn đã hoàn thiện phần trình bày về mạch lọc tích cực thông dải sử dụng cuộn cảm tích cực, để làm việc ở tần số GHz . Cuộn cảm tích cực thể hiện nhiều ƣu điểm :
Kích thƣớc nhỏ gọn hơn so với cuộn cảm xoắn ốc tích hợp trên chip. Giá trị điện cảm có thể điều chỉnh đƣợc.
Khả năng tích hợp trên đế bán dẫn.
Công nghệ chế tạo ngày càng nhỏ hơn 90nm, 65nm,22nm mở ra triển vọng thiết kế mạch sử dụng cuộn cảm tích cực làm việc hàng chục GHz. Cuộn cảm tích cực có thể thay thế dần cuộn cảm thụ động.
Chế tạo ra các mạch siêu cao tần có khả năng lập trình, thích nghi tốt với các ứng dụng đa tiêu chuẩn.
Bên cạnh đó còn những hạn chế : công suất tiêu thụ lớn, độ tuyến tính thấp và nhiễu. Để khắc phục hạn chế này cần những nghiên cứu sâu sắc hơn. Trong tƣơng lai, bƣớc tiếp theo của luận văn là thiết kế mô phỏng các mô hình khác nhau của cuộn cảm tích cực, tìm những ứng dụng trong đó có thể thay thế vai trò của cuộn cảm thụ động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Behzad Razavi (2001), Design of Analog CMOS integrated Circuits, nhà xuất bản Mc Graw Hill, trang 31-32.
2. Christian Andriesei (2010),Study of active filter topologies for
telecommunication applications, SCS laboratory, Technical University "Gheorghe Asachi" / ETTI, SCS laboratory ROMANI, trang 24-33.
3. David Córdova, Jorge De la Cruz, Carlos Silva (2009),A 2.3 GHz CMOS high- Q Bandpass filter design using an active inductor, XV Workshop Iberchip Buenos Aires.
4. FeiYuan (2008), CMOS Active inductor and transformer principle ,
implementation, and application, nhà xuất bản Springer. Tr.21-98,149-167 5. HaiQiao Xiao( 2008), Design of radio frequency filter and oscillator in deep
sub micron technology , Porland State University, trang 67-71 6. Kung-Hao LIANG, Chien-Chih HO, Chin-Wei KUO, and Yi-Jen,
(2005),CMOS RF Band-Pass Filter Design Using the High Quality Active Inductor. IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E88–C, NO.12 DECEMBER 2005.