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

Tuy nhiên, tụ điện rất nhỏ, có đơn vị picofarad và nhỏ hơn picofaradlại rất dễ để chế tạo với công nghệ IC MOS và có thể được kết hợp với các bộ khuếch đạiMOS và chuyển mạch MOS để thu đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ

******

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ

Đề tài: Thiết kế bộ OTA dùng cấu hình Three Current Mirror

GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Hải Ninh

Bộ môn: Kỹ thuật điện tử

Nhóm thực hiện: Nguyễn Tiến sỹ

Ngô Hồng Quân

Thái Nguyên - 2021

KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ

Nhóm sinh viên: 1 Nguyễn Tiến Sỹ - K185520207035

2 Ngô Hồng Quân – K185520207032Lớp: 54KDT.01 Ngành: Kỹ thuật điện tử

1 Tên đề tài : Thiết kế bộ OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror

2 Nội dung thực hiện:

- Phân tích tìm hiểu tổng quan vai trò ý nghĩa của bộ OTA trong đời sống thực tiễn

- Tìm hiểu nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bộ OTA

- Thiết kế bộ OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror

- Mô phỏng bộ OTA bằng phần mềm cadence

- Báo cáo đồ án

3 Ngày giao nhiệm vụ:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2021

GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU GHI ĐIỂM CHẤM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên: : 1 Nguyễn Tiến Sỹ K185520207035 2 Ngô Hồng Quân K185520207032 Lớp: K54KĐT.01 Khoá: K54 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thị Hải Ninh Đề tài: Thiết kế bộ OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ CHẤM:

Xếp loại: Điểm

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021 Cán bộ chấm

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ chế tạo mạch tích hợp đặt ra những hạn chế và mang lại những cơ hội cho

kỹ sư thiết kế mạch Do đó, thiết kế chip bắt buộc tránh các trở kháng lớn và cả trở khángtrung bình, có sẵn các nguồn dòng không đổi Tụ điện lớn, như ta đã từng sử dụng choviệc ghép tầng tín hiệu và dẫn tín hiệu tín hiệu nhưng không sẵn có trong chip Trừ cáclinh kiện nằm ngoài vi mạch tích hợp Thậm chí, số lượng những tụ điện này phải đượcgiữ ở mức tối thiểu Tuy nhiên, tụ điện rất nhỏ, có đơn vị picofarad và nhỏ hơn picofaradlại rất dễ để chế tạo với công nghệ IC MOS và có thể được kết hợp với các bộ khuếch đạiMOS và chuyển mạch MOS để thu được một khoảng rộng các hàm xử lý tín hiệu, bằng

cả tương tự Như một quy tắc chung, trong việc thiết kế các mạch IC MOS là người tacần phải cố gắng thu được nhiều chức năng mong muốn nhất có thể chỉ sử dụng transistorMOS và khi cần thiết là tụ MOS loại nhỏ Transistor MOS có thể sắp xếp theo kíchthước; tức là các giá trị W và L của nó có thể được chọn lựa để phù hợp với một phạm viyêu cầu thiết kế rộng Ngoài ra, các mảng transistor có thể được ghép với nhau để thuđược các khối mạch hợp nhất như các khối mạch dòng điện đối xứng

Xu hướng đóng gói một lượng lớn linh kiện trên cùng một vi mạch IC làm giảm bớtkích thước của linh kiện Năm 2003, người ta đã sử dụng các công nghệ CMOS có khảnăng tạo ra các linh kiện với độ dài kênh tối thiểu 0.1μm Những linh kiện này làm việc ởđiện áp một chiều gần 1V Khi linh kiện làm việc ở điện áp thấp, có thể giúp giảm thiểutiêu thụ công suất, nó đặt ra một loạt các thách thức với người thiết kế Ví dụ như, cáctransistor MOS này phải được làm việc với điện áp vượt quá ngưỡng mở chỉ khoảng0,2V Các mạch khuếch đại MOS mà ta sẽ nghiên cứu gần như hoàn toàn được thiết kế

sử dụng cả hai dạng MOSFET là NMOS và PMOS – như đã có trong công nghệ CMOS.Như đã đề cập trước đây, CMOS là công nghệ IC đang được sử dụng rộng rãi nhất với cảtương tự và số cũng như đã kết hợp các ứng dụng tương tự và số Tuy nhiên, mạch tíchhợp transistor lưỡng cực vẫn mang lại nhiều thú vị với kỹ sư thiết kế mạch điện tương tự.Điều này đặc biệt đối với các khối mạch đa chức năng, ví dụ như transistor cao tần lắptrên các bo mạch in Tương tự, các mạch transistor lưỡng cực có thể cung cấp các dòng ralớn hơn và được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hiện nay, như là trong công nghiệp tựđộng, vì độ tin cậy cao của chúng dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt Cuối cùng, cácmạch lưỡng cực có thể được kết hợp với CMOS theo các hướng sáng tạo và thú vị

Để thiết kế một bộ khuếch đại sinh học phù hợp với mức tiêu thụ điện cực thấp với sựthay đổi biên độ dao động, một công nghệ mới là cần thiết để thiết kế mạch của bộkhuếch đại sinh học Dựa trên các tài liệu, cấu trúc OTA đối xứng hay cấu trúc gương

cực thấp và tiếng ồn thấp, bộ khuếch đại sinh học cũng có thể khuếch đại tín hiệu ECGlên trên mức nhận được để xử lý tốt hơn trong giai đoạn tiếp theo của hệ thống phát hiện

Với thực hiện đề tài: “ Thiết kế bộ OTA sử dụng cấu hình Three Current Mirror ”

chúng em mong muốn áp dụng kiến thức môn học đã và đang học hỏi được trong quá

trình học tập và phần để hiểu thêm về các kiến thức chuyên ngành liên quan

Chúng em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Hải Ninh đã tận tình chỉ dẫn và

giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Chúng em cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô

trong Khoa Điện tử và Bộ môn Kỹ thuật điện tử đã hỗ trợ và tạo điều kiện để chúng em

hoàn thành đồ án tốt nhất

Do điều kiện thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của bản thân của bản thân còn hạnchế nên đồ án không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được

sự thông cảm và đóng góp của thầy, cô và các bạn để đồ án hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

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 và các thông số cơ bản 13

1.4 So sánh OTA và Op-amp 14

1.4.1 So sánh 14

1.4.2 Ứng dụng của OTA 15

1.5 Ý tưởng thiết kế và giải pháp 15

1.6 Tổng quan về 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 số công thức cơ bản: 23

1.8.3 Chức năng cơ bản 24

CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 24

1.1 Lựa chọn các thông số cho quá trình mô phỏng 24

1.1.1 Các thông số của Mosfet 25

1.1.2 Các thông số cho mạch schematic 25

1.1.3 Kết quả 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 quả mô phỏng 38

CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

Phụ lục hình ảnh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay các thiết bị điện tử ngày càng được phát triển mạnh mẽ và nhân rộng, phủ khắp,phục vụ cho các nhu cầu bức thiết trong nhiều lĩnh vực trong đời sống Các thiết bị điện

tử nói chung được cấu tạo từ nhiều linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn cấu thành nên các

bộ phận, các khâu khác nhau ghép lại để thực hiện được các chức năng mong muốn.Trong Bảng dưới đây được hiển thị các cấu trúc tương tự cơ bản thường được sử dụng đểxây dựng một tế bào tương tự

Common

drain

Cấu trúc cổng chung (cổngđược kết nối với nguồncung cấp điện áp DC, đầuvào tại cổng và đầu ra ởđầu cực nguồn), chuyểnđổi điện áp thành dòngđiện và theo dõi điện ápđơn giản nhất

Cấu trúc Cascode, được sửdụng trong điện áp đểchuyển đổi hiện tại, tronggiai đoạn nguồn và cổngchung và nó có trở kháng

đầu ra cao

Cascode

gấp

Cấu trúc cascode gấp,được sử dụng để chuyểnđổi điện áp thành dòngđiện và cũng là một biếnthể giai đoạn cascode

Cặp vi sai

Cấu trúc cặp vi sai, chuyểnđổi điện áp đầu vào vi saithành dòng điện

Cấu trúc vi

sai cascode

Cấu trúc cặp vi sai được

mã hóa, chuyển đổi điện

áp đầu vào vi sai thànhdòng điện và cũng được sửdụng làm biến thể cặp vi

sai

Cặp vi sai

cascode

gấp

Cấu trúc cặp vi sai được

mã hóa gấp, chuyển đổiđiện áp đầu vào vi saithành dòng điện và cũngđược sử dụng làm biến thểcặp vi sai tương tự nhưcặp vi sai mã hóa đơn

Bảng 1: Thư viện cấu trúc tương tự cơ bản

Một trong các bộ phận quan trọng đó chính là Bộ Khuếch Đại Bộ khuếch đại thôngdụng thường sử dụng Op-amp và OTA OTA và Op-amp được ứng dụng rộng rãi trongcác vi mạch điện tử với chức năng là khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp Trongchuyên ngành kỹ thuật điện tử, OTA và Op-amp được ứng dụng trong các mạch so 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 côngnghệ về vi mạch điện tử nói chung.

1.2 Khái niệm chung

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 ápđầu vào di động tạo ra một dòng điện đầu ra Hoạt động lý tưởng được đặc trưng bởi giaiđoạn đầu vào trở kháng cao và giai đoạn đầu ra trở kháng cao, như trong Hình 1

Chức năng chuyển tải lý tưởng của thiết bị này là độ dẫn điện của nó, ký hiệu là gm.Cấu trúc chính của OTA chứa hai giai đoạn Đầu tiên là bộ khuếch đại đầu vào vi sai, tạo

ra các dao động hiện tại dưới dạng đáp ứng với từng điện áp đầu vào (V¿ + ¿¿ và V¿ − ¿¿).Giai đoạn thứ hai được tạo bởi các gương dòng điện trộn lẫn các dao động này thành mộtdòng đầu ra và cũng triệt tiêu dòng điện phân cực DC Công nghệ MOS được sử dụngrộng rãi trong thiết kế OTA do mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, trở kháng vô hạn đầuvào vi sai của nó (ngay cả trong các mạch vòng hở) và khả năng đạt được độ dẫn rất thấp(theo thứ tự uS, nS và hơn thế nữa) Đáp ứng xuyên điện của cặp đầu vào vi sai khôngphải là hàm tuyến tính của điện áp đầu vào vi sai

1.3 Nguyên lý chung và các thông số cơ bản

1.3.1 Nguyên lý chung:

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại bao gồm có cả đầu vào đảo và đầu vàokhông đảo, mạch khuếch đại thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầuvào vi sai này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào

1.3.2 Các thông số cơ bản

Với điều kiệu một OTA là lý tưởng thì phuuơng trình dòng lý tưởng là :

Iout = (Vin+ - Vin-).gm

hay:

I out =g m .V id

 Vin+ là điện áp đầu vào không đảo

 Vin- là điện áp đầu vào đảo

 gm là độ hộ dẫn

Điện áp đầu ra: Vout = Iout Rtải

Độ tăng điện áp: G = Vin+−Vin− Vout ¿¿ = Rtải.gm

1.3.3 Cấu trúc chung của một OTA đơn giản

Bao gồm một cặp đầu vào vi sai và các cấu trúc gương dòng điện Cặp đầu vào visai gồm 2 bóng bán dẫn NMOS, các gương dòng đơn giản được thông qua để phâncực các biến tần trong mạch.(Hình 3)

Hình 2: Cấu trúc của OTA

1.4 So sánh OTA và Op-amp

Ứng dụng của OTA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhưng chủ yếudùng trong lĩnh vực y tế Sử dụng thiết kế máy siêu âm, máy điện não, điện tim,điện cơ,

1.5 Ý tưởng thiết kế và giải pháp

Hiện này có rất nhiều các công nghệ mới được ra đời phục vụ cho việc

thiết kế các linh kiện ngày càng nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo được hiệu năng làmviệc cũng như độ bền qua thời gian Các công nghệ sản xuất như 180nm, 130nm,90nm, 50nm,20nm, Với công nghệ sản xuất với kích thước càng nhỏ thì nănglượng tiêu tốn càng ít, tốc độ truyền càng nhanh Với đề tài của chúng em, chúng

em sẽ lựa chọn thiết kế bộ OTA dựa trên công nghệ 130nm 130nm chính là kích thước của các MOSFET được sử dụng để cấu tạo nên bộOTA, Với cấu hình 3 Gương Dòng (Three Current Mirror) sử dụng MOSFET đểcấu tạo nên bộ OTA, các thông số của MOSFET được thiết kế và lựa chọn dựavào cơ sở lý thuyết sau:

OTA với cấu trúc liên kết đối xứng hoặc cân bằng được thực hiện trong hệ thốngphát hiện tiềm năng sinh học bởi vì độ dẫn lớn hơn, tốc độ biến đổi lớn hơn vàbăng thông khuếch đại (GBW) lớn hơn được tạo ra trong thời gian hoạt động củaOTA Thiết kế của mạch được xây dựng từ một số gương dòng đóng vai trò như

là hoạt động tải OTA đối xứng còn được gọi là OTA ba gương dòng trong đó cặpđầu vào vi sai bao gồm hai bóng bán dẫn NMOS Có biến tần tự thiên và bagương dòng đơn giản được thông qua để phân cực các biến tần trong mạch Mứctăng điện áp, AV của OTA đối xứng được đưa ra là phương trình 1 và phươngtrình 2

Băng thông BW được tính theo phương trình 3,

BW= g m1 (3)

Với C L là điện dung tải và tốc độ biến đổi, SR được đưa ra theo phương trình 4,

SR= I DC

C L (4) Với I DC là dòng phân cực

Bộ khuếch đại sinh học được thiết kế hoạt động ở vùng đảo ngược Bộ khuếch đạiđối xứng có băng thông khuếch đại 500 kHz sẽ tạo ra khoảng 300 mV /μs nhưđược viết trong phương trình 5:

SR=4 πnV T .BW ≅600 mV BW (5)

Trong đó n là hệ số dốc

Vì vậy, từ công thức trên, có thể nói rằng BW SR là tỷ lệ thuận với I DC

g m như đã nêutrong phương trình 6

SR GBW ∞

I DC

g m (6)

Do đó, để cải thiện tốc độ biến đổi của bộ khuếch đại mà không ảnh hưởngđến băng thông khuếch đại, dòng điện phân cực đi qua từng bóng bán dẫn trong bộkhuếch đại sinh học phải được tăng lên, do đó sẽ tăng tổng mức tiêu thụ điện của bộkhuếch đại sinh học Do đó dựa trên lý thuyết OTA đối xứng, một số kỹ thuật nhấtđịnh phải được áp dụng vào OTA để đảm bảo có sự thay đổi giữa các bộ khuếch đạisinh học hiệu suất về tốc độ biến đổi và đạt được băng thông với tổng mức tiêu thụnăng lượng của bộ khuếch đại sinh học

OTA đối xứng được thiết kế bằng cách thay đổi kích thước của bóng bán dẫncủa tầng đầu vào vi sai và bậc gương dòng, được đưa ra bởi phương trình 7 vàphương trình 8

SM1= ¿

SM1 =SM2,SM3 =SM4,SM5 =SM6, SM7 =SM8 (8)Trong đó S là kích thước của các bóng bán dẫn

trong OTA

Kỹ thuật thiết kế OTA đối xứng này dễ thực hiện hơn vì nó giảm số lượng của cáctham số có thể thay đổi thành bốn chiều của bóng bán dẫn và một dòng điện phân cựcvào OTA Trong bài báo này, OTA đối xứng được thiết kế với ba chất bán dẫn oxitkim loại bổ sung (CMOS) các công nghệ 180nm, 130 nm và 90 nm Mỗi OTA đượcthiết kế ở 180nm, 130 nm và 90nm đã sử dụng cùng một cấu trúc liên kết đối xứng vàcùng kích thước của các bóng bán dẫn như được tính toán trước đó Kích thước củabóng bán dẫn được tính toán cẩn thận để đảm bảo có sự cân bằng giữa sự cân bằnggiữa công suất tiêu thụ và đạt được của OTA Hình 1 cho thấy cấu trúc của OTA đốixứng và kích thước của bóng bán dẫn được thể hiện trong Bảng 2

Bảng 1: Kích thước của

transitor trong OTA

1.6 Tổng quan về gương dòng

Mối liên kết giữa Q1 và Q2 cung cấp dòng đầu ra IO liên hệ với dòng tham chiếu IREF

bởi tỷ lệ W và L của các transistor Nói cách khác, quan hệ giữa IO và IREF được xác địnhbởi cấu tạo của các transistor Trong trường hợp đặc biệt của các transistor giống nhau, Io

= IREF 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 Q1 và Q2 có tên là mạch gương dòng

Transitor Độ rộng kênh, W(μm) Chiều dài kênh, L(μm)

Hình 4 : Mạch sử dụng MOSFET tạo nguồn dòng cơ bản

Trung tâm của mạch là transistor Q1, cực máng được nối với cực cổng, do đó khiếncho transistor phải làm việc ở chế độ bão hòa với:

I D1 =I REF=V DD −V GS

R (2)

trong đó dòng qua R được coi là dòng tham chiếu của nguồn hiện tại và được ký hiệu

là IREF Các phương trình (1) và (2) có thể được sử dụng để xác định giá trị cần thiếtcho R

MOSFET Q2: Nó có cùng VGS với Q1; do đó, nếu chúng ta giả sử rằng nó đang hoạtđộng ở trạng thái bão hòa thì dòng cực máng nó là Io của nguồn hiện tại, sẽ là

I D2 =I0=12k '

n(W

L)2(V gs −V tn)2 (3)