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

Nhóm thực hiện:

Nguyễn Tiến sỹ̃

Ngô Hồng Quân

Thái Nguyên - 2021

KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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 sử̉ 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

3 Ngày giao nhiệm vụ:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

TS Nguyễn Phương Huy

ThS Nguyễn Thị Hải Ninh

2

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

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 sử̉ dụng cấu hình Three Current Mirror

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ CHẤM:

Xếp loại: Điểm

Thái Nguyên,

ng

năm 2021

Cán bộ chấm

(Ký và ghi rõ họ tên)

4

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 ởm 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

ra lớn hơn và được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hiện nay, như là trong công nghiệp

tự động, vì độ tin cậy cao của chúng dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt Cuối cùng,các mạch 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 sự thayđổi biên độ dao động, một công nghệ mới là cần thiết để thiết kế mạch của bộ khuếch đạisinh học Dựa trên các tài liệu, cấu trúc OTA đối xứng hay cấu trúc gương dòng được thựchiện trong việc thiết kế bộ khuếch đại sinh học để đạt được công suất tiêu thụ cực thấp vớikhả năng chống ồn tốt hơn Ngoài việc có những đặc điểm tiêu thụ điện

5

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 sử̉ dụng cấu hình Three Current Mirror ”

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

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 Ứ́ng dụ̣ng củ̉a mạch gương dò̀ng 22

1 8 Cấu hình Three Current Mirror 22

1 8.1 Khá́i niệ̣m cấu hình Three current mirror 22

1 8.2 Một số́ công thức cơ bả̉n: 23

1 8.3 Chức năng cơ bả̉n 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 mach schematic 25

1 1.3 Kết quả mô phỏng theo bài báo 26

1 2 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MÊM 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

7

Phu luc hinh anh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Đặt vân đề

Hiên nay cac thiêt bi điên tư ngay cang đươc phat triên manh me va nhân rông, phu khăp,phuc vu cho cac nhu câu bưc thiêt trong nhiêu linh vưc trong đơi sông Cac thiêt bi điên

tư noi chung đươc câu tao tư nhiêu linh kiên điên tư, linh kiên ban dân câu thanh nên cac

bô phân, cac khâu khac nhau ghep lai đê thưc hiên đươc cac chưc năng mong muôn.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

vào tại cổng và đầu ra ởchung

đầu cổng), chuyển đổiđiện áp thành dòng điện

Cấu trúc cổng chung (cổngđược kết nối với nguồncung cấp điện áp DC, đầu

đầu cực nguồn), chuyểndrain

đổi điện áp thành dòngđiện và theo dõi điện ápđơn giản nhất

9

Cấu trúc Cascode, được sửdụng trong điện áp để

Cascode chuyển đổi hiện tại, tronggiai đoạn nguồn và cổng

chung và nó có trở kháng

đầu ra cao

Cấu trúc cascode gấp,được sử dụng để chuyển

điện và cũng là một biếngấp

thể giai đoạn cascode

Cấu trúc cặp vi sai, chuyển

thành dòng điện

Cấu trúc cặp vi sai được

mã hóa, chuyển đổi điện

dòng điện và cũng được sửsai cascode

dụng làm biến thể cặp vi

sai

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

giản

Cấu trúc gương dòng điện,sao chép dòng điện quamột thiết bị hoạt độngbằng cách điều khiển dòngđiện trong một thiết bịhoạt động khác của mạch,giữ cho dòng điện đầu rakhông đổi bất kể tải và nócũng được sử dụng chophép nhân hoặc chia hiện

tại

Cấu trúc gương dòngCascode, sao chép chínhxác hiện tại, nó được sửdụng để nhân hoặc chiahiện tại và nó cũng có trởkháng đầu ra cao

Bảng 1: Thư việqn cấu trúc tương tựq cơ bản

Môt trong cac bô phân quan trong đo chinh la Bô Khuêch Đai Bô khuêch đai thôngdung thương sư dung Op-amp va OTA OTA va Op-amp đươc ưng dung rông rai trongcac vi mach điên tư vơi chưc năng la khuêch đai dong điên, khuêch đai điên ap Trongchuyên nganh ky thuât điên tư, OTA va Op-amp đươc ưng dung trong cac mach so sanh,mach chinh lưu, mach loc, Vi vây viêc nghiên cưu, phat triên va thiêt kê OTA va Op-amp la cưc kỳ quan trong vơi sinh viên chuyên nganh noi riêng va sư phat triên côngnghê vê vi mach điên tư noi chung.

1.2 Khai niệm chung

OTA – (Operational Transconductance Amplifier): La bô khuêch đai co điên ap đâu vao

vi sai va tao ra dong điên ơ đâu ra Dong điên đươc điêu khiên băng điên ap OTA co môt

sô điêm tương tư như Op-amp vi du như co trơ khang đâu vao vô cung lơn, co phan hôi

âm OTA co thêm môt dong vao đê điêu khiên bô khuêch đai

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

12

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 cac thông số cơ ban

1.3.1 Nguyên lý́ chung:

Đâu vao vi sai cua mach khuêch đai bao gôm co ca đâu vao đao va đâu vaokhông đao, mach khuêch đai thưc tê se chi khuêch đai hiêu sô điên thê giưa hai đâuvao vi sai nay Điên ap nay goi la điên ap vi sai đâu vao

1.3.2 Các thông số cơ ban

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

Iout = (Vin+ - Vin-).gm

hay:

m V

id

Vin+ là điện áp đầu vào không đảo Vin- là điện áp đầu vào đảo

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 sanh OTA và Op-amp

Điều khiển dòng điện bằng Điều khiển điện áp bằng điện

điện áp (Vào áp ra dòng) áp (Vào áp ra áp)Khuếch đại dòng Khuếch đại áp

Trở kháng ra cao Trở kháng vào vô cùng lớn

Băng thông lớn Trở kháng ra vô cùng nhỏ

1.4.2 Ứng dung cua OTA

14

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 thiêt kê và giai phap

Hiên nay co rât nhiêu cac công nghê mơi đươc ra đơi phuc vu cho viêcthiêt kê cac linh kiên ngay cang nho gon ma vân đam bao đươc hiêu năng lamviêc cung như đô bên qua thơi gian Cac công nghê san xuât như 180nm, 130nm,90nm, 50nm,20nm, Vơi công nghê san xuât vơi kich thươc cang nho thi nănglương tiêu tôn cang it, tôc đô truyên cang nhanh Vơi đê tai cua chung em, chung

em se lưa chon thiêt kê bô OTA dưa trên công nghê 130nm

130nm chinh la kich thươc cua cac MOSFET đươc sư dung đê câu tao nên bôOTA, Vơi câu hinh 3 Gương Dong (Three Current Mirror) sư dung MOSFET đêcâu tao nên bô OTA, cac thông sô cua MOSFET đươc thiêt kê va lưa chon dưavao cơ sơ ly thuyêt 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

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

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=¿

16

SM1 =SM 2 ,SM 3=SM 4 ,SM 5=SM 6 , SM7 =SM 8 (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

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

transitor trong OTA

1.6 Tổng quan về gương dòng

Bảng 1: Kích thướ c của

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

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 khiến cho transistor phải làm việc ở chế độ bão hòa với:

2 k ' n (W

L )1 (V gs −V tn )2 (1)trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh Dòng cực máng của Q1 được cungcấp bởi VDD thông qua điện trở R, trong hầu hết các trường hợp sẽ nằm ngoài IC Vìcác dòng cổng bằng không,

I D1 =I REF= V DD −V GS

(2)

R

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 =I 0 =1

2 k ' n (W

L )2 (V gs −V tn )2 (3)

18

Trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh Công thức (1) và (3) cho phép

chúng ta liên hệ đầu ra Io với dòng tham chiếu IREF

Để vận hành đúng cách, đầu ra đầu ra, nghĩa là cổng của Q2, phải được kết nối với

một mạch điện để đảm bảo rằng Q2 hoạt động ở trạng thái bão hòa

Trong thiết kế mạch tích hợp tương tự (IC) và trong chính mạch khuếch đại hoạt

động, một trong những mạch phụ quan trọng đang được sử dụng rộng rãi là mach

gương dòng Mạch gương dòng được thực hiện trong bộ khuếch đại hoạt động như

các phần tử thiên vị để khuếch đại để tạo ra mức tăng điện áp AC cao Trong thiết kế

đề xuất này, gương dòng đơn giản cấp nguồn cho tất cả các bóng bán dẫn và hoạt

động như tải hoạt động trong bộ được sử dụng vì nó tiêu thụ ít năng lượng hơn khi so

sánh với gương dòng cascade

+)Ảnh hưở̉ng 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 2 đang 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 O thỏa mãn quan hệ:

V O≥V GS−V T

(8)Hay: