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 vànhỏ hơn picofarad lại rất dễ để chế tạo với công nghệ IC MOS và có thể được kết hợpvới các bộ khuếch đại MOS và chuyển mạch MOS để thu đ

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

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:

TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký và ghi rõ họ tên)

GIÁO VIÊNHƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ

họ tên)

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

PHIẾU GHI ĐIỂM CHẤM ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Sinh viên: : 1 Nguyễn Tiến Sỹ K185520207035

2 Ngô Hồng Quân K185520207032

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

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 hộicho kỹ sư thiết kế mạch Do đó, thiết kế chip bắt buộc tránh các trở kháng lớn và cảtrở kháng trung bình, có sẵn các nguồn dòng không đổi Tụ điện lớn, như ta đã từng

sử dụng cho việc ghép tầng tín hiệu và dẫn tín hiệu tín hiệu nhưng không sẵn có trongchip Trừ các linh kiện nằm ngoài vi mạch tích hợp Thậm chí, số lượng những tụ điệnnày phải được giữ ở mức tối thiểu Tuy nhiên, tụ điện rất nhỏ, có đơn vị picofarad vànhỏ hơn picofarad lại rất dễ để chế tạo với công nghệ IC MOS và có thể được kết hợpvới các bộ khuếch đại MOS và chuyển mạch MOS để thu được một khoảng rộng cáchàm xử lý tín hiệu, bằng cả tương tự Như một quy tắc chung, trong việc thiết kế cácmạch IC MOS là người ta cần phải cố gắng thu được nhiều chức năng mong muốnnhất có thể chỉ sử dụng transistor MOS và khi cần thiết là tụ MOS loại nhỏ TransistorMOS có thể sắp xếp theo kích thước; tức là các giá trị W và L của nó có thể đượcchọn lựa để phù hợp với một phạm vi yêu cầu thiết kế rộng Ngoài ra, các mảngtransistor có thể được ghép với nhau để thu được các khối mạch hợp nhất như cáckhối mạch dòng điện đối xứng

Xu hướng đóng gói một lượng lớn linh kiện trên cùng một vi mạch IC làm giảmbớt kích thước của linh kiện Năm 2003, người ta đã sử dụng các công nghệ CMOS cókhả năng tạo ra các linh kiện với độ dài kênh tối thiểu 0.1μm Những linh kiện nàylàm việc ở điện áp một chiều gần 1V Khi linh kiện làm việc ở điện áp thấp, có thểgiúp giảm thiểu tiêu thụ công suất, nó đặt ra một loạt các thách thức với người thiết

kế Ví dụ như, các transistor MOS này phải được làm việc với điện áp vượt quángưỡng mở chỉ khoảng 0,2V Các mạch khuếch đại MOS mà ta sẽ nghiên cứu gần nhưhoàn 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 đangđược sử dụng rộng rãi nhất với cả tương tự và số cũng như đã kết hợp các ứng dụngtương tự và số Tuy nhiên, mạch tích hợp 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 đachức năng, ví dụ như transistor cao tần lắp trên các bo mạch in Tương tự, các mạchtransistor lưỡng cực có thể cung cấp các dòng ra lớn hơn và được sử dụng nhiều trongcác ứng dụng hiện nay, như là trong công nghiệp tự động, vì độ tin cậy cao của chúngdưới điều kiện môi trường khắc nghiệt Cuối cùng, các mạch lưỡng cực có thể đượckết 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

sự thay 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 gươngdòng được thực hiện trong việc thiết kế bộ khuếch đại sinh học để đạt được công suấttiêu thụ cực thấp với khả năng chống ồn tốt hơn Ngoài việc có những đặc điểm tiêuthụ điện

cực thấp và tiếng ồn thấp, bộ khuếch đại sinh học cũng có thể khuếch đại tín hiệuECG lên trên mức nhận được để xử lý tốt hơn trong giai đoạn tiếp theo của hệ thốngphát 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 liênquan

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 cònhạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, chúng em rất mongnhận 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

1.3 Nguyên lý chung va ̀ các thông sô ́ cơ bản 13

1.8.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror 22

1.1 Lựa chọn các thông sô ́ cho qua ́ trình mô phỏng 24

Phụ lục hình ảnh

ra ở đầu cổng), chuyểnđổi điện áp thành dòng

điện

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 mộtbiến thể giai đoạncascode

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

sử dụng 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 biếnthể cặp vi sai tương tựnhư cặp 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 rãitrong 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

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, cóphản 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 bởigiai đoạn 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 visai, 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 nàythành một dòng đầu ra và cũng triệt tiêu dòng điện phân cực DC Công nghệ MOSđược sử dụng rộng rãi trong thiết kế OTA do mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, trởkháng vô hạn đầu vào vi sai của nó (ngay cả trong các mạch vòng hở) và khả năng đạtđược độ dẫn rất thấp (theo thứ tự uS, nS và hơn thế nữa) Đáp ứng xuyên điện của cặpđầu vào vi sai không phải là hàm tuyến tính của điện áp đầu vào vi sai

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 haiđầu vào 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

● Vin+là điện áp đầu vào không đảo

● Vin-là điện áp đầu vào đảo

● gmlà độ hộ dẫnĐiện áp đầu ra: Vout= Iout Rtải

Độ tăng điện áp: G = Vout = R g

Vin+−Vin−¿¿ tải m

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

Hình 2: Cấu trúc của OTA

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, điệntim, 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 việcthiết 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 nhỏthì năng

lượng 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

để cấu tạo nên bộ OTA, các thông số của MOSFET được thiết kế và lựa chọndựa vào cơ sở lý thuyết sau:

OTA với cấu trúc liên kết đối xứng hoặc cân bằng được thực hiện trong hệthống phát hiện tiềm năng sinh học bởi vì độ dẫn lớn hơn, tốc độ biến đổi lớnhơn và băng thông khuếch đại (GBW) lớn hơn được tạo ra trong thời gian hoạtđộng của OTA Thiết kế của mạch được xây dựng từ một số gương dòng đóngvai trò như là hoạt động tải OTA đối xứng còn được gọi là OTA ba gươngdòng trong đó cặp đầu vào vi sai bao gồm hai bóng bán dẫn NMOS Có biếntần tự thiên và ba gương dòng đơn giản được thông qua để phân cực các biếntần trong mạch Mức tăng điện áp, AV của OTA đối xứng được đưa ra làphương trình 1 và phương trình 2

VớiC Llà điện dung tải và tốc độ biến đổi, SR được đưa ra theo phương trình 4,

bộ khuếch đại sinh học hiệu suất về tốc độ biến đổi và đạt được băng thông vớitổng mức tiêu thụ năng lượng của bộ khuếch đại sinh học

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

và phương 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 phâncực vào OTA Trong bài báo này, OTA đối xứng được thiết kế với ba chất bán dẫnoxit kim loại bổ sung (CMOS) các công nghệ 180nm, 130 nm và 90 nm Mỗi OTAđược thiết kế ở 180nm, 130 nm và 90nm đã sử dụng cùng một cấu trúc liên kết đốixứng và cùng kích thước của các bóng bán dẫn như được tính toán trước đó Kíchthước của bóng bán dẫn được tính toán cẩn thận để đảm bảo có sự cân bằng giữa sựcân bằng giữa công suất tiêu thụ và đạt được của OTA Hình 1 cho thấy cấu trúccủa OTA đối xứng và kích thước của bóng bán dẫn được thể hiện trong Bảng 2

B ả n g 1 : K íc h th ư ớc củ a

transitor trong OTA

1.6 Tổng quan về gương dòng

Mối liên kết giữa Q1 và Q2cung 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 đượcxác định bởi cấu tạo của các transistor Trong trường hợp đặc biệt của các transistorgiống 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 Q1và Q2có 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 đókhiến cho transistor phải làm việc ở chế độ bão hòa với:

MOSFET Q2: Nó có cùng VGS với Q1; do đó, nếu chúng ta giả sử rằng nó đang

I D 2 =I0=1k '

n(W) ( V gs −V tn)2(3)

Trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh Công thức (1) và (3) cho phépchúng ta liên hệ đầu ra Iovới dòng tham chiếu IREF

kế đề xuất này, gương dòng đơn giản cấp nguồn cho tất cả các bóng bán dẫn vàhoạt động như tải hoạt động trong bộ được sử dụng vì nó tiêu thụ ít năng lượnghơn khi so sánh với gương dòng cascade

+)Ảnh hưởng của V o lên I o: trong những mô tả trên cho quá trình làm việc của

nguồn dòng trong hình 6.1, ta đã giả thiết rằng Q 2đang 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 Othỏa mãn quan hệ:

VO≥VGS−VT

(8)

Dòng cực máng của I O = I REF ở cùng giá trị V OV làm cho hai linh kiện có cùng V DS, tức

là, ở V O = V GS Khi V O vượt quá giá trị này, I O sẽ tăng khi trở kháng ra r o2 của Q 2tăng

Điều

này được thể hiện trong hình 2, nó thể hiện quan hệ giữa I O và V O Quan sát thấy rằng vì

Q 2 đang làm việc ở V GS không đổi, đường cong trong hình 2 đơn giản là đường cong đặc

Trong đó I O được cho bởi phương trình (3) và VA2 là điện áp Early của Q 2 Ngoài ra,

với quy trình công nghệ cho trước, thì V Atỷ lệ với độ dài kênh transistor; do đó, để thu

được các giá trị trở kháng ra cao, các nguồn dòng thường được thiết kế sử dụng

transistor với các kênh có đội dài phù hợp

Ta có dòng điện đầu ra I Onhư sau:

I =(

W / L)2I

(10)

Hình 5 : Đặc tính đầu ra

điện cực nguồn và sự biến đổi của Q 2 tương ứng với

Q 1

+) Thông số hiệu suất

Một số thông số được rút ra từ OTA là độ lợi, CMRR và sự tiêu thụ điện Các tham

số được rút ra bằng cách phân tích kết quả từ các mô phỏng và được sử dụng để xácđịnh mức độ hiệu suất của OTA được thiết kế

A =20 log V PP(OUT)(12)

V

PP(¿ )

+) Tỷ số loại bỏ tín hiệu ở chế độ chung (CMRR)

CMRR được định nghĩa là tỷ lệ khuếch đại chế độ vi sai so hệ số khuếch đại ở chế độchung và có thể tính bằng công thức:

CMRR (dB)=20 log A D(13)

A C

Nó còn được gọi là phép đo được sử dụng để định lượng khả năng của thiết bị điện tử

từ loại bỏ tín hiệu chế độ chung Giá trị lý tưởng của CMRR phải là vô cùng lớn trong

đó giá trị của hệ số khuếch đại ở chế độ chung là 0 và hệ số khuếch đại chế độ vi saicàng cao càng tốt (theo thông số kỹ thuật)

+) Sự tiêu thụ năng lượng

Tiêu thụ điện năng trong OTA thực sự quan trọng vì công nghệ MOSFET đã đạt đếnkích thước siêu nhỏ Sự cải tiến này trong công nghệ MOSFET dẫn đến các hiệu ứngngắn kênh không mong muốn xảy ra trong chính các bóng bán dẫn ảnh hưởng đếnhiệu suất OTA theo một cách xấu Một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng caotrong OTA là dòng rò trong MOSFET Mức tiêu thụ năng lượng của OTA được thiết

kế trong bài báo này có thể được tính bằng công thức:

P=( I5+ I6+ I DC) .(V DD +V SS)(14)

+) Hạn chế của mạch gương dòng

Mạch lý tưởng và mạch thật, hai cái này hoàn toàn khác nhau Trong thực tếkhông có gì gọi là hoàn hảo hay lý tưởng Tuy nhiên, trước khi hiểu được những hạnchế của các mạch gương dòng đối với các ứng dụng trong thế giới thực, người ta cầnhiểu về điện áp và nguồn hiện tại cũng như các hành vi 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 địnhmỗi lần Đây không phải là trường hợp trong nguồn điện áp trong thế giới thực Trongthực tế các nguồn điện áp như pin, nguồn điện, vv không thể cung cấp dòng điện vôhạn hoặc vô hạn cho các phụ tải