Thiết kế chíp đo khoảng cách dùng sóng siêu âm

Các vi mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) hay còn gọi là chip với những ưu điểm nổi bật là giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều lần, độ chính xác cao và thực hiện được nhiều chức năng. Ngày này, các kỹ sư đang nỗ lực nghiên cứu tìm ra những phương pháp thiết kế chíp mới để tạo ra những sản phẩm với tốc độ nhanh hơn, độ chính xác cao hơn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Chưa đầy 50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay.Với những lý do trên, em đã chọn đề tài nghiên cứu trong đồ án là : “Thiết kế chíp đo khoảng cách dùng sóng siêu âm”. Đồ án đã tập trung nghiên cứu, phân tích, tính toán thiết kế từ những phần tử cơ bản nhất cho đến các khối để tạo ra một mạch hoàn chỉnh. Đồng thời, đồ án cũng đã kết hợp với mô phỏng trên phần mềm mô phỏng HSPICE để kiểm chứng quá trình thiết kế. Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương như sau:Chương 1: Tổng quan về đề tài : “Thiết kế chíp đo khoảng cách dùng sóng siêu âm”.Chương 2: Công nghệ CMOS và chương trình mô phỏng HSPICE.Chương 3: Thiết kế chi tiết các khối ở trong mạch.Chương 4 :Mô phỏng.

MỤC LỤC

Mục lục 1

Các từ viết tắt 4

Lời mở đầu 5

Chương1: Tổng quan đề tài “Thiết kế chip đo khoảng cách dùng sóng siêu âm” 7

1.1Giới thiệu chương 7

1.2 Giới thiệu đề tài 7

1.3 Tổng quan đề tài thiết kế 8

1.4 Sơ đồ khối thiết kế 9

1.4.1 Nguyên lý hoạt động 11

1.4.2 Chức năng các khối trong mạch 11

1.5 Công nghệ thiết kế 13

1.6 Kết luận chương 14

Chương2: Công nghệ CMOS và chương trình mô phỏng HSPICE 15

2.1 Giới thiệu chương 15

2.2 Công nghệ CMOS 15

2.2.1 Giới thiệu về CMOS 16

2.2.2 Các cổng logic cơ bản bằng CMOS 18

2.2.2.2.1 Cổng NOT 18

2.2.2.2 Cổng NAND 18

2.2.2.3 Cổng NOR 19

2.3 Chương trình mô phỏng HSPICE 20

2.4 Kết luận chương 21

Chương3: Thiết kế chi tiết các khối trong mạch 22

3.1 Giới thiệu chương 22

3.2 Thiết kế các phần tử cơ bản 22

3.2.1 Thiết kế opamp 22

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 22

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 24

3.2.1.3Tính toán thiết kế 24

3.2.1.4 Các dạng mạch opam 27

3.2.2 Thiết kế DFF 29

3.2.2.1 Thiết kế TGATE 29

3.2.2.2 Sơ đồ nguyên lý DFF 30

3.2.2.3 Nguyên lý hoạt động 31

3.3 Các khối bên phát 32

3.3.1 Khối tạo xung clock 32

3.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 32

3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động 32

3.3.1.3 Tính toán thiết kế 33

3.3.2 Khối phát sóng sin 34

3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 34

3.3.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động 34

3.3.3 Khối điều khiển timebase 37

3.3.3.2 Nguyên lý hoạt động 37

3.3.3.3 Các mạch thành phần trong khối timebase 38

3.3.3.3.1 Mạch giải mã 3 sang 8 38

3.3.3.3.2 Mạch chia tần số 39

3.3.3.3.3 Cổng OR_8 42

3.4 Các khối ở bên thu 42

3.4.1 Khối lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu vào 42

3.4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 42

3.4.1.2 Nguyên lý hoạt động 43

3.4.1.3 Tính toán thiết kế 43

3.4.2 Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao 45

3.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động mạch chỉnh lưu 45

3.4.3 Khối so sánh 52

3.4.3.1Sơ đồ nguyên lý mạch 52

3.4.4 Khối điều khiển 52

3.4.4.1 Sơ đồ nguyên lý 52

3.4.4.2 Nguyên lý hoạt động và tính toán thiết kế 53

3.5 Kết luận chương 55

Chương 4: Mô phỏng 56

4.1 Giới thiệu chương 56

4.2 Mô phỏng các phần tử cơ bản 56

4.2.1 Mô phỏng opam 56

4.2.2 Mô phỏng DFF 60

4.3 Mô phỏng các khối ở bên phát 61

4.3.1 Khối tạo xung clock 61

4.3.2 Khối tạo sóng sin 62

4.3.3 Khối điều khiển timebase 63

4.4 Mô phỏng các khối bên thu 64

4.4.1 Khối lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu vào 64

4.4.2 Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao 65

4.4.3 Khối so sánh 66

4.4.4 Khối điều khiển 67

4.4.5 Khối công tắc 68

4.5 Mô phỏng toàn bộ mạch 69

4.5.1 Mô phỏng với f=30Khz, vThu=1Vpp, T =250C 69

4.5.2 Mô phỏng với f=30Khz, T =250C , T2=0,T1=0,T0=0 73

4.5.3 Mô phỏng với f=30Khz, Vthu=1Vpp ,T2=0,T1=0,T0=0 75

4.5.4 Mô phỏng với T=25,Vthu=1Vpp ,T2=0,T1=0,T0=0 76

4.6 Kết luận chương 78

Kết luận và hướng phát triển đề tài 79

Tài liệu tham khảo 80 Datasheet

MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin,hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời Những thiết bị này đã góp phần nângcao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng côngnghệ Và một trong những sản phẩm công nghệ cao góp phần mang lại những tiện íchtrong đời sống là các vi mạch tích hợp IC

Các vi mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) hay còn gọi là chip với những ưuđiểm nổi bật là giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều lần, độ chính xác cao vàthực hiện được nhiều chức năng Ngày này, các kỹ sư đang nỗ lực nghiên cứu tìm ranhững phương pháp thiết kế chíp mới để tạo ra những sản phẩm với tốc độ nhanhhơn, độ chính xác cao hơn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Chưa đầy

50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạtđược những thành tựu rực rỡ Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành côngnghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thôngtin hiện nay

Với những lý do trên, em đã chọn đề tài nghiên cứu trong đồ án là : “Thiết kếchíp đo khoảng cách dùng sóng siêu âm” Đồ án đã tập trung nghiên cứu, phân tích,tính toán thiết kế từ những phần tử cơ bản nhất cho đến các khối để tạo ra một mạchhoàn chỉnh Đồng thời, đồ án cũng đã kết hợp với mô phỏng trên phần mềm môphỏng HSPICE để kiểm chứng quá trình thiết kế Nội dung của đồ án bao gồm 4chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài : “Thiết kế chíp đo khoảng cách dùng sóng siêuâm”

Chương 2: Công nghệ CMOS và chương trình mô phỏng HSPICE

Chương 3: Thiết kế chi tiết các khối ở trong mạch

Chương 4 :Mô phỏng

Trong quá trình làm đồ án, em đã gặp rất nhiều khó khăn nhưng được sự quantâm, hướng dẫn tận tình của thầy giáo ThS.Nguyễn Duy Nhật Viễn, ThS Nguyễn BáMịch-nhân viên công ty SDS, các thầy cô trong khoa ĐT-VT cùng với sự cố gắng nỗ lựccủa bản thân, em đã hoàn thành được đồ án đúng với nội dung yêu cầu đặt ra Tuynhiên, do kiến thức của em còn hạn chế và giới hạn về thời gian làm đồ án nên chắcchắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót ,kính mong các thầy cô cùng các bạn góp ý

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Nguyễn Duy Nhật Viễn, ThS Nguyễn

Bá Mịch, công ty SDS cùng các thầy cô trong khoa đã giúp em hoàn thành đồ án này

Đà Nẵng, ngày 25, tháng 5, 2011 Sinh viên thực hiện

Trần Thị Ái

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

“THIẾT KẾ CHIP ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG SÓNG SIÊU ÂM”

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này ta sẽ trình bày các phần sau:

• Phần 1: Giới thiệu về đề tài “ Thiết kế chip đo khoảng cách dùng sóng siêu âm” Giúpngười đọc biết được cơ sở lý thuyết của đề tài cũng như các ứng dụng của đề tài trongthực tế

• Phần 2: Sơ đồ tổng quan của chip thiết kế

• Phần 3: Xây dựng chi tiết các khối trong chip và mô tả chức năng, nhiệm vụ của từngkhối

1.2 Giới thiệu đề tài

Sóng siêu âm là loại sóng cơ học có tần số lớn hơn 20Khz, được ứng dụng trongnhiều lĩnh vực khác nhau và một trong số đó là ứng dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách Trong đề tài đồ án của mình em đã chọn “thiết kế chip dùng sóng siêu âm để đo khoảng cách”

Sóng siêu âm được phát đi nhờ một máy phát, trong quá trình truyền đi sóng gặpmột vật cản và phản xạ ngược trở lại Khi máy thu thu được sóng phản xạ này, ta sẽ tính được thời gian truyền của sóng siêu âm kể từ khi được phát đi đến khi máy thu nhận được Từ đó, ta sẽ tính được khoảng cách giữa máy phát và vật cản

Việc thiết kế chip này có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, vì ta có thể xác định được khoảng cách và định vị được vị trí của vật như việc ứng dụng sóng siêu âm được dùng

ở camera để đo khoảng cách, hay được dùng để các mức chất lỏng trong bình ở các nhàmáy…Ngày nay, người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển việc chế tạo các robot

có gắn cảm biến siêu âm, đồng thời với các cảm biến khác như laser, camera… kết hợpvới công nghệ viễn thông như GPS, GSM nhằm nâng cao độ chính xác trong việc định

vị, cũng như thăm dò một khoảng không gian nào đó để xây dựng bản đồ

1.3 Tổng quan đề tài thiết kế

Hình 1.1 Sơ đồ miêu tả tổng quan đề tài thiết kế

• Đầu vào TRIGGER IN dùng để kích khởi mạch hoạt động

• Ba đầu vào T2,T1,T0 dùng thiết lập chu kỳ của đầu ra Tpout, để tùy theokhoảng cách đo ta điều khiển sai số của mạch

• Đầu vào RESET dùng thiết lập mạch về trạng thái ban đầu

• Đầu ra Tpout là xung có chu kỳ được thiết lập bởi ba đầu vào T2,T1,T0 và xung nàytồn tại từ lúc phát sóng cho đến lúc thu về.

• Đầu ra Tdout thể hiện khoảng thời gian trễ từ khi phát sóng đến khi nhận lại sóng đãphát

1.4 Sơ đồ khối thiết kế

Hình 1.2 Sơ đồ khối thiết kế

1.4.1 Nguyên lý hoạt động

Ban đầu, một xung kích START từ bên ngoài vi mạch được đưa đến mạch điều khiển để kích khối tạo dao động sóng sin phát sóng, đồng thời đưa xung Tdout ở đầu ralên mức 1 Sóng sin này đi qua tầng đệm rồi qua một mạch khuếch đại ở bên ngoài vi mạch và truyền đi trong không khí Cùng lúc này, một mạch tạo xung clock được đưa đến mạch điều khiển timebase để tạo xung clock có chu kỳ mong muốn rồi đưa xung clock này đến đầu ra Tpout

Tín hiệu nhận về qua bộ lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu đầu vào, sau đó được chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao, rồi đưa đến mạch sửa dạng xung để tạo xung STOP,cuối cùng đưa đến mạch điều khiển để đóng khối phát sóng sin lại, cùng lúc đó kích xung đầu ra Tdout xuống mức 0 (như hình vẽ)

Ta thấy rằng, thời gian truyền sóng đi cho đến khi nhận sóng về chính là thời giancủa xung Tdout

Thời gian truyền = số xung đếm được * timebase

Khoảng cách= thời gian truyền * vận tốc sóng siêu âm /2

Trong khuôn khổ của đồ án này, chúng em chỉ hiển thị kết quả số xung đếm đượctrong khoảng thời gian kể từ khi phát sóng đến khi nhận sóng, kết quả tính toán khoảngcách theo công thức trên được hiển thị ở bên ngoài vi mạch

Sơ đồ khối chi tiết và chức năng của từng khối được tìm hiểu rõ ở chương 3 của đồ án

1.4.2 Chức năng các khối trong mạch

• Khối tạo xung clock

Là một bộ dao động tạo ra sóng vuông đưa vào cho khối timebase (dùng chia tầnsố), đồng thời kết hợp với mạch lọc thông dải tạo ra sóng sin phát đi

• Khối phát sóng sin

Tạo sóng siêu âm có tần số f=30Khz để phát đi

• Khối điều khiển timebase

Dùng để thay đổi chu kỳ của xung ở ngõ ra Tpout Xung ở ngõ ra này sẽ xuất hiệntrong thời gian từ lúc phát sóng đi đến lúc nhận sóng về, khoảng thời gian này sẽ dàihay ngắn phụ thuộc vào khoảng cách từ chỗ phát sóng đến chổ có vật phản xạ Giả sử

từ lúc phát sóng đi đến lúc nhận sóng về là 5s, nếu mình thiết lập timebase =1s thì ngõ

ra Tpout mình có thể có 5xung ,sai số tối đa là 1/5=20% Tuy nhiên nếu thiết lập

timebase =0.01s thì thời gian 5s thì ở ngõ ra Tpout sẽ có 500 xung do đó sai số lúc nàychỉ 1/500=0.2% Vì vậy cần phải thay đổi timebase cho phù hợp với ứng dụng cụ thể.

• Khối đệm

Dùng để cách ly tải với các khối trong chip, đồng thời cung cấp dòng ra lớn

• Khối khuếch đại và lọc nhiễu

Như ta biết rằng khi tín hiệu truyền từ máy phát ra môi trường đến nơi thu sẽ bịảnh hưởng bởi nhiễu Nhiễu ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu trong quá trình truyền vàquá trình xử lý tín hiệu.Nhiễu gây ra suy hao tín hiệu như suy hao do phản xạ, suy hao

do các tần số của các tín hiệu khác…vì vậy chúng ta phải lọc nhiễu và khuếch đại tínhiệu ngay tại đầu vào máy thu

Bộ lọc cho một số thành phần tần số trong tín hiệu di qua và ngăn không cho cácthành phần tần số khác đi qua Trong không gian có nhiều tín hiệu hoạt động cùng vớitín hiệu phát vì vậy để thu đúng tín hiệu phát đi ta dùng bộ lọc thông dải

• Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao

Tín hiệu sau khi qua bộ chỉnh lưu sẽ được chỉnh lưu toàn kỳ, rồi đưa đến bộ táchsóng để thu được tín hiệu một chiều đưa vào khối so sánh

• Khối so sánh

Tín hiệu đầu ra của tách sóng đường bao và chỉnh lưu chính xác có dạng sau

ta cần tạo ra một xung STOP đưa vào mạch điều khiển để ngắt việc nhận tín hiệu.Muốn tạo xung STOP ta phải sửa dạng tín hiệu.Tín hiệu sau khi qua mạch so sánh códạng sau

Để sửa dạng tín hiệu ta dùng mạch so sáng bằng opam Tín hiệu đưa vào sẽ được

so sánh

• Khối điều khiển

Gồm có 2 tín hiệu đầu vào START và STOP Nếu đầu vào xung START =1 quamạch điều khiển cho phép phát sóng sin Nếu đầu vào xung STOP =1 qua mạch điềukhiển ngắt việc phát sóng sin Đồng thời ngõ ra của mạch điều khiển cũng chính là tínhiệu Tdout.

1.5 Công nghệ thiết kế

Sử dụng công nghệ CMOS chiều dài kênh dẩn L=0.35

NMOS: Lmin >= 0.35um, Wmin >= 0.15um

PMOS: Lmin >= 0.30um, Wmin >= 0.15um

Trong chương này chúng ta biết được cơ sở lý thuyết của đề tài, các ứng dụng của

đề tài trong thực tế Từ yêu cầu đề tài chúng ta đã xây dựng được sơ đồ khối tổng quát

và đưa ra chức năng của các khối chi tiết Đồng thời, ta cũng tìm hiểu công nghệ thiết

kế Qua đó, giúp ta có cái nhìn tổng quan về đề tài thiết kế, qua đó tạo tiền đề cho việc thiết kế, tính toán các phần tử chi tiết và các khối phục vụ cho các chương tiếp theo của

đồ án

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CMOS

VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HSPICE2.1 Giới thiệu chương

Công nghệ sử dụng trong toàn bộ thiết kế của đồ án là CMOS Và để kiểm tra, đánh giáthiết kế của mình em đã chọn chương trình mô phỏng HSPICE Do đó trong chươngnày em sẽ tập trung vào hai phần sau:

• Phần 1: Tìm hiểu về công nghệ CMOS, thấy được những ưu điểm nổi bật so với cáccông nghệ khác

• Phần 2: Tìm hiểu về chương trình mô phỏng HSPICE

2.2 Công nghệ CMOS

Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor-kim loại oxit bán dẫn) có tên gọixuất xứ từ cấu trúc MOS cơ bản của một điện cực nằm trên lớp oxit cách nhiệt, dướilớp oxit là đế bán dẫn Transistor trong công nghệ MOS là transistor hiệu ứng trường,gọi là MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor) Có nghĩa điện trường ởphía điện cực kim loại của lớp oxit cách nhiệt có ảnh hưởng đến điện trở của đế Phầnnhiều IC số MOS được thiết kế hết bằng MOSFET, không cần đến linh kiện nào khác.

Ưu điểm chính của MOSFET là dễ chế tạo, phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao rất ítđiện năng Kĩ thuật làm IC MOS chỉ rắc rối bằng 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực Thêmvào đó, thiết bị MOS chiếm ít chỗ trên chip hơn so với BJT, thông thường, mỗiMOSFET chỉ cần 1 mi li vuông diện tích chip, trong khi BJT đòi hỏi khoảng 50 mi livuông Quan trọng hơn, IC số MOS thường không dùng các thành phần điện trở trong

IC, vốn chiếm quá nhiều diện tích chip trong IC lưỡng cực Những lý lẽ trên khẳngđịnh rằng các IC MOS có thể dung nạp nhiều phần tử mạch trên 1 chip đơn hơn so với

IC lưỡng cực Bằng chứng là ta sẽ thấy MOS dùng nhiều trong vi mạch tích hợp cỡLSI, VLSI hơn hẳn TTL Mật độ đóng gói cao của IC MOS làm chúng đặc biết thíchhợp cho các IC phức tạp, như chip vi xử lí và chip nhớ Sửa đổi trong công nghệ ICMOS đã cho ra những thiết bị nhanh hơn 74, 74LS của TTL, với đặc điểm điều khiểndòng gần như nhau Do vậy, thiết bị MOS đặc biệt là CMOS đã đã được sử dụng khárộng rãi trong mạch MSI mặc dù tốc độ có thua các IC TTL cao cấp và dễ bị hư hại do

bị tĩnh điện

Mạch số dùng MOSFET được chia thành 3 nhóm là:

• MOSFET kênh N

• MOSFET kênh P

• CMOS (MOS bù) dùng cả 2 thiết bị kênh P và kênh N

Trong thiết kế này phần tử cơ bản chúng em sử dụng là CMOS Do đó trong phần dướiđây em sẽ tập trung giới thiệu về công nghệ CMOS

2.2.1 Giới thiệu về CMOS

Trong các mạch NMOS và PMOS thì phải có điện trở tải R

Hình 2.1 MOSFET khi mắc điện trở tải.

Giá trị điện trở này sẽ ảnh hưởng đến điện trở ra của mạch khi lối ra ở mức cao, và có

sự tiêu tán công suất khi lối ra ở mức thấp

Khi điện áp vào thấp, chuyển mạch MOSFET chuyển về ngưng dẫn (OFF) Vàlối ra DC đẩy lên cao bởi điện trở tải R để nhận được điện trở ra thấp thì R phải có giátrị nhỏ

Khi điện áp lối vào ở mức cao, chuyển mạch MOSFET chuyển sang trạng thái

mở (ON) và lối ra sẽ đẩy xuống mức thấp Do chuyển mạch MOSFET có điện trở ONthấp nên điện trở ra thấp , làm cho mạch hút dòng từ ngoài Trong trường hợp này hầunhư toàn bộ điện áp nguồn cung cấp được đặt trên điện trở tải R tạo ra một dòng lớn và

vì vậy sẽ tiêu tán công suất lớn Để tối thiểu hóa công suất tiêu tán này thì điện trở tảicần phải lớn

Vấn đề đòi hỏi điện trở R nhỏ và công suất tiêu tán thấp là các yêu cầu đối lập nhautrên giá trị của R Để giải quyết vấn đề này ta mắc mạch như sau:

Khi điện áp vào gần bằng nguồn cung cấp thì vị trí được đảo lại là Q1 tắt, Q2dẫn Đầu ra ở mức thấp và điện trở ra cũng xuống thấp , lúc này điện trở ra được xácđịnh bằng Ron của Q2.

Trong cả hai trường hợp, vì một trong hai chuyển mạch chuyển về OFF nên chỉ có sựcung cấp dòng là dòng kéo về bởi tải Nếu tải là MOSFET khác loại thì dòng kéo về sẽkhông đáng kể vì điện trở vào cao của các MOSFET Do đó cả hai trạng thái điện trở racủa mạch là rất thấp và sự tiêu tán công suất là cực nhỏ

Trên nguyên tắc cổng đảo, cũng giống như trước bằng cách mắc song song hay nối tiếpthêm transistor ta có thể thực hiện được các cổng logic khác Chẳng hạn mắc chồng 2NMOS và mắc song song 2 PMOS ta được cổng NAND Còn khi mắc chồng 2 PMOS

và mắc song song 2 NMOS ta được cổng NOR

Hình 2.3 Ứng dụng CMOS làm các cổng logic

2.2.2 Các cổng logic cơ bản bằng CMOS

2.2.2.1 Cổng NOT

Hình 2.4 Cổng NOT bằng CMOS.

• Khi A=1 thì Q2 dẫn, Q1 tắt nên điện áp đầu ra hay Y=0

• Khi A=0 thì Q2 tắt, Q1 dẫn nên điện áp đầu ra Vdd hay Y=1

2.2.2.2 Cổng NAND

Do đó điện áp đầu ra 0 hay Y = 0( do Q2 dẫn).

• Khi A= 1 thì Q2 dẫn, Q4 tắt

B=1 thì Q3 dẫn, Q1 tắt

Do đó điện áp đầu ra 0 hay Y = 0( do Q2, Q3 đều dẫn)

2.3 Chương trình mô phỏng HSPICE

Kỹ thuật điện tử nghiên cứu về những ứng dụng của các tín hiệu điện tử bao gồmviệc thu thập, gia công, xử lý, truyền tải tín hiệu Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết

kế các thiết bị điện tử thường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế

và các sơ đồ mạch điện tương đương Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán vàkiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị điện hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phùhợp với yêu cầu đặt ra

Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng Tuy nhiên,khi các thành phần của một mạch tích hợp hợp có kích thước ngày càng nhỏ bé thì việcxây dựng các vi mạch này trở nên rất khó khăn Bên cạnh đó, những tác động vật lý -

âm thanh, ánh sáng không ảnh hưởng đến những mạch điện thông thường nhưng lạigây nhiễu rất lớn đối với các vi mạch Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thànhphần thực trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền bạc

Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm môphỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử Khi đó ta có thể xây dựng, thửnghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng như thay đổi cácthông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làm việc của toànmạch Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trường hợp, tình huốngkhác nhau Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của các

mô hình Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì việc

mô phỏng là vô nghĩa

Ngày nay có rất nhiều chương trình mô phỏng khác nhau, trong đó HSPICE đượcđánh giá là chương trình mô phỏng có tính chính xác cao, kết quả mô phỏng tươngđương với thực tế Do đó để kiểm tra thiết kế của mình chúng em đã chọn chương trình

mô phỏng HSPICE

Với HSPICE ta có thể xây dựng các sơ đồ nguyên lý của mạch điện dựa trên mộtthư viện về các phần tử hết sức phong phú và đa dạng, bên cạnh đó nó còn cho phépngười dùng tạo ra các thư viện riêng mình và thêm vào cơ sở dữ liệu của chương trình Trong HSPICE ta xây dựng các sơ đồ mạch trong quá trình thiết kế Sơ đồ mạchnguyên lý là sơ đồ mà trong đó các phần tử của mạch điện được thể hiện dưới dạng các

ký hiệu của chúng và được kết nối với nhau theo một quy tắc nhất định nhằm đảm bảohoạt động của mạch điện là đúng như mong đợi Sau đó dùng phần mềm này mô phỏngdạng sóng, ta có thể quan sát dạng tín hiệu tại bất kỳ điểm nào trong mạch Dựa trên sơ

đồ này ta kiểm tra lại tính chính xác của mạch điện cũng như dự đoán được khả nănglàm việc của mạch trong thực tế

2.4 Kết luận chương

Qua chương này chúng ta đã biết rõ cấu trúc và đặc điểm của đơn vị nhỏ nhất,

cơ bản nhất trong toàn bộ thiết kế Thấy được ưu điểm nổi bật của công nghệ CMOS,

đó là lý do tại sao các thiết kế hiện này đều sử dụng công nghệ này Đồng thời biếtđược cấu trúc và hoạt động của các cổng logic cơ bản công nghệ CMOS Do đó cungcấp cho chúng ta một nền tảng kiến thức cơ sở để đi sâu vào thiết kế ở chương 3

Trong chương cũng giới thiệu tổng quan về chương trình mô phỏng HSPICEvới ưu điểm nỏi bật so với những chương trình mô phỏng khác Vì vậy nó được sửdụng làm chương trình mô phỏng trong toàn bộ thiết kế của đồ án

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT CÁC KHỐI TRONG MẠCH3.1 Giới thiệu chương

Chương này gồm có 2 phần chính:

 Thiết kế các phần tử cơ bản : phần này trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động, tính toánthiết kế chi tiết 2 phần tử quan trọng được sử dụng chủ yếu ở trong mạch là opam vàDFF Opam được sử dụng ở các khối tương tự (khối tạo xung clock, phát sóng sin,đệm, khuếch đại và lọc nhiễu, chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao, sosánh,công tắc) còn DFF được sử dụng trong các khối số (timebase, điều khiển logic)

 Thiết kế các khối ở trong mạch: gồm có các khối ở bên phát và các khối ở bên thu Ởmỗi khối ta sẽ lần lượt trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động, tính toán thiết kế.

• Các khối bên phát: gồm có khối tạo xung clock, khối tạo sóng sin, khối điều khiểntimebase

• Các khối bên thu: khối lọc nhiễu và khuếch đại, khối chỉnh lưu chính xác và tách sóngđường bao, khối so sánh, khối điều khiển

• Nếu vin- > vin+ M1 dẫn ,gương dòng ID3 = ID4 và lúc này ID1,, tăng, giảm Nếu sựchênh lệch điện áp giữa vin- và vin+ đủ lớn để làm M2 tắt và M4 dẫn, lúc này điện áp

ra của tầng vi sai ở mức cao Sau đó qua mạch khuếch đại đảo tín hiệu ra mức thấp

NMOS: Lmin >= 0.35um, Wmin >= 0.15um

PMOS: Lmin >= 0.30um, Wmin >= 0.15um

vth0_n = 6.9057e-01 vth0_p = -6.7017e-01

Lúc này dòng ra được tăng gấp 4 lần ID7

Iout = 4 = 1600

• Tính toán giá trị tụ điện

Độ lợi băng thông thiết kế là

Hình 3.2 Mạch khuếch đại đảo opam

Zi, Zf có thể có bất kỳ dạng nào

Tín hiệu đưa vào ngõ vào âm (-)

Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều

Do opamp lý tưởng nên :

• Mạch khuếch không đại đảo

Hình 3.3 Mạch khuếch đại không đảo.

Ta có:

(3.5)(3.6)

Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần Mạch cũng giữnguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoaychiều

Khi Zf=0, ta có: AV=1 ⇒ v0=vi hoặc Zi=∞ ta cũng có AV=1 và v0=vi Lúcnày mạch thường được dùng làm mạch đệm (buffer) vì có tổng trở vào lớn và tổng trở

ra nhỏ

Ở NMOS cực đế B được nối với đất VSS, còn PMOS cực đế B được nối với nguồndương VDD.

• Khi xung kích đưa vào cực G của NMOS với GN mức cao, GP mức thấp thì cả PMOS

và NMOS đều được phân cực thuận nên sẽ có dòng chảy qua NMOS và PMOS do đóngõ ra OUT=IN

• Khi xung kích đưa vào cực G của NMOS với GN mức thấp, GP mức cao thì cả PMOS

và NMOS đều bị phân cực nghịch nên sẽ không có dòng chảy qua NMOS và PMOS do

Khi xung clock C=1 thì cổng T1 và T4 tắt, cổng T2 và T3 mở nên dữ liệu D trước

đó được đưa đến cổng AND và đưa đến ngõ ra Q=D

• CLEAR=0 thì ngõ ra cổng AND=0 (cổng AND khóa dữ liệu) → Q=0

Hình 3.11 Ký hiệu DFF

3.3 Các khối ở bên phát

3.3.1 Khối tạo xung clock

3.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung clock

Khi cung cấp nguồn điện =+, tụ C nạp điện, điện thế hai đầu tụ tăng dần

• Khi (điện thế ngõ vào -) > (điện thế ngõ vào +)=> ngõ ra đổi trạng thái thành - và bâygiờ là: Tụ C bắt đầu phóng điện qua R1

• Khi tụ Cnạp điện thế âm đến trị số thì mạch lại đổi trạng thái ()

• Hiện tượng trên cứ tiếp tục tạo ra ở ngõ ra một dạng sóng vuông với đỉnh dương là+VSAT và đỉnh âm là -VSAT Thời gian nạp điện và phóng điện của tụ C là chu kỳcủa mạch dao động

• Do tụ C nạp điện và phóng điện đều qua điện trở R1 nên thời gian nạp điện bằng thờigian phóng điện

Chọn f= 30Khz

3.3.2 Khối tạo sóng sin

3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình3.13 Sơ đồ nguyên lý khối tạo sóng sin

3.3.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

Tín hiệu x(t) tuần hoàn được khai triển Fourier như sau:

Với là chu kỳ của tín hiệu

Phân tích như sau:

Từ công thức (3.18) ta thấy sóng vuông là tổng của vô số sóng sin có tần số là

Như vậy muốn tạo ra sóng sin có tần số từ sóng vuông tần số ta dùng mạch lọc thônggiải cộng hưởng tại tần số và băng thông BW thỏa mãn điều kiện sau

Hình3.14 Đáp ứng biên tần của mạch lọc thông dải

Do đó để có sóng sin phát đi tần số 30Khz thì mạch tạo sóng sin là sự ghép nối haimạch sau

Mạch tạo xung clock tần số 30Khz và mạch lọc thông giải tần số cổng hưởng là30Khz, băng thông 5Khz

3.3.3 Khối điều khiển timebase

3.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 3.15 Sơ đồ khối của mạch điều khiển timebase

3.3.3.2 Nguyên lý hoạt động

• Ba tín hiệu đầu vào T0 T1 T2 được đưa vào bộ Decoder 3 to 8, 8 đầu ra này lần lượtđược nối với 8 cổng AND có 2 đầu vào, đầu vào của cổng AND còn lại là xung clock

• Đầu ra thứ nhất của cổng AND được nối trực tiếp đến cổng OR ở ngõ ra, 7 đầu ra cònlại được nối với mỗi mạch chia lần lượt là mạch chia 2, chia 4, chia 8, chia 16, chia 32,chia 64, chia 128 trước khi đưa đến ngõ ra

• Khi ta thiết lập thời gian timebase, giả sử T2T1T0=001 thì đầu ra thứ 21=2 được chọn,xung clock lúc này được đưa vào mạch chia 2 để chia đôi tần số xung clock rồi mớiđưa đến ngõ ra Xung clock lúc này có chu kỳ =timebase =

3.3.3.3 Các mạch thành phần trong khối timebase

Hình 3.17 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của mạch

• Phương trình logic tối giản

Y0= Y1= Y2= Y3=T1T0

Y4= Y5=T2T0 Y6=T2T1 Y7=T2T1T0

Hình3.18 Sơ đồ logic của mạch giải mã 3 to 8

3.3.3.3.2 Mạch chia tần số

Ở DFF, nếu ta ngõ ra ở ngõ ra được nối ngược trở lại ngõ vào D thì mạch thực hiệnchức năng chia đôi tần số

Hình 3.19 Mạch chia 2

Tương tự ta có thể xây dựng các mạch chia 4, chia 8, chia 16, chia 32, chia 64,chia 128 bằng cách mắc nối tiếp mạch chia 2 lại với nhau như hình vẽ sau

Hình 3.20 Mạch chia 4

Hình 3.21 Mạch chia 8

Hình 3.22 Mạch chia 16

Hình 3.23 Mạch chia 32