THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0.5um (có code và layout)

THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ............... THIẾT kế MẠCH DAO ĐỘNG VCO DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0 5um (có code và layout) ...............

DÙNG CÔNG NGHỆ CMOS 0.5um

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ VI MẠCH 1

1.1.1 Lịch sử 1

1.1.2 Khái niệm 1

1.1.3 Phân loại 1

1.2 TỔNG QUAN VỀ MẠCH DAO ĐỘNG VCO 3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH 4

2.1 SƠ ĐỒ MẠCH 4

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 4

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC THI 5

3.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5

3.2 ĐÁNH GIÁ POWER 6

3.3 ĐÁNH GIÁ DELAY 6

3.4 SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN 7

3.5 THIẾT KẾ LAYOUT 8

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 9

4.1 KẾT LUẬN 9

4.2 ỨNG DỤNG 9

4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

PHỤ LỤC 13

2

HÌNH 3 - 1: SÓNG MÔ PHỎNG 5

HÌNH 3 - 2: ĐÁNH GIÁ POWER 6

HÌNH 3 - 3: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN SỬ DỤNG 7

HÌNH 3 - 4: MẠCH LAYOUT 8

HÌNH 3 - 5: MÔ TẢ RTL MỘT CỔNG ĐẢO BA TRẠNG THÁI 8

HÌNH 3 - 6: MÔ TẢ RTL CỔNG ĐẢO BA TRẠNG THÁI KẾT NỐI VỚI NHAU 9

HÌNH 4 - 1: SƠ ĐỒ KHỐI VÒNG KHÓA PHA 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

VCO Voltage Control Oscillator

TTL Transistor-Transistor Logic

IC Integrated Circuit

SSI Small-Scale Integration

MSI Medium-Scale Integration

LSI Large Scale Integrated

VLSI Very Large Scale Integrated

ULSI Ultra-Large-Scale Integration

ROM Read-Only Memory

CPU Central Processing Unit

GPU Graphics Processing Unit

RAM Random Access Memory

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

DSP Digital Signal Processing

ADC Analog-To-Digital Converter

DAC Digital Analog Converter

FPGA Field-Programmable Gate Array

RFID Radio Frequency Identification

4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Tổng quan về thiết kế vi mạch

1.1.1 Lịch sử

 Công nghệ cmos được phát minh vào năm 1963 tại hãng Fairchild Semiconductor Vào năm 1968, mạch tích hợp cmos đầu tiên được được sản xuất bởi một nhóm nghiên cứu tại RCA Khởi đầu, cmos được xem như một giải pháp thay thế TTL để có được các vi mạch tuy hoạt động chậm hơn TTL nhưng tiêu hao năng lượng ít hơn TTL

1.1.2 Khái niệm

 Vi mạch còn được gọi là chip (theo thuật ngữ tiếng anh) là các mạch điện tử chứa linh kiện bán dẫn và linh kiện điện tử thụ động Các phần tử được kết nối với nhau nhờ các vật liệu kim loại được phủ trên bề mặt của chip Vi mạch có kích thước là micromet (hoặc nhỏ hơn) chế tạo bởi công nghệ silicon cho lĩnh vực điện tử học

1.1.3 Phân loại

 Theo tín hiệu được xử lý

 IC digtal xử lý hoặc lưu trữ các tín hiệu digtal

 IC analog hay IC tuyến tính xử lý tín hiệu analog

 IC hỗn hợp, có analog và digtal

 Theo mức độ tích hợp

 IC Còn chia ra SSI và MSI

 LSI (Large Scale Integrated)

 VLSI (Very Large Scale Integrated) Các CPU, GPU, ROM, RAM, PLA, chipset, microcontroller,

 ULSI (ultra-large-scale integration) dự đặt cho mạch trên 1 triệu transistor

 Theo công nghệ

Trang 2/15

 Monoithic: tất cả các phần tử đặt trên miếng nền vật liệu bán dẫn đơn tinh thể Các linh kiện điện tử được tạo bằng pha tạp chất và theo thứ

tự lớp thực hiện lai ghép điện trở, đường mạch dẫn, tụ điện, lớp cách điện, cực gate của MOSFET

 Mạch màng mỏng hay mạch phim: là những phần tử được tạo bằng lắng đọng hơi trên nền thủy tinh Nó thường là các mạng điện trở Chúng có thể được chế tạo bằng cách cân bằng điện tử với độ chính xác cao và được phủ nhúng bảo vệ Trong nhóm này bao gồm các mạch transistor màng mỏng

 Lai mạch màng dày kết hợp một số chip, vết mạch in đường dây dẫn, linh kiện điện tử thụ động Nền thường là gốm và thường được nhúng tráng

 Theo công dụng

 CPU, vi xử lý trong máy tính

 Memory, bộ nhớ lưu trữ dữ liệu digital

 Thu nhỏ chip trong công nghệ RFID để giám sát (Identification) không tiếp xúc của các đối tượng hay các sinh vật sống

 IC logic tiêu chuẩn thuộc họ logic khác nhau

 ASIC dành cho phát triển ứng dụng cụ thể, ví dụ cho điều khiển lò nướng bánh, xe hơi, máy giặt,

 ASSP là sản phẩm tiêu chuẩn cho ứng dụng cụ thể, tương tự như ASIC, nhưng có sẵn từ các nhà sản xuất và không được xây dựng theo yêu cầu của khách hàng

 IC cảm biến quá trình vật lý, hoá, sinh hoá, ví dụ gia tốc, ánh sáng,

từ trường, chất độc,

 DSP (Digital signal processing) xử lý tín hiệu digital

 ADC và DAC, chuyển đổi analog digital

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

 FPGA (Field-programmable gate array) được cấu hình bởi các IC digital của khách hàng, trong đó bao gồm một số lượng lớn các đơn vị chức năng kết nối được (interconnectable)

 Vi điều khiển (microcontroller) chứa tất cả các bộ phận của một máy tính nhỏ (bộ nhớ chương trình, ALU, bộ nhớ và thanh ghi)

 IC công suất có thể xử lý các dòng hay điện áp lớn (ví dụ khuếch đại công suất lớn, kiểm soát mạng điện lưới)

 System-on-a-chip (SoC) là hệ thống trong một chip

1.2 Tổng quan về mạch dao động VCO

 VCO là mạch dao động điện tử có tần số dao động được điều khiển bởi điện

áp Điện áp đầu vào xác định tần số dao động tức thời Yêu cầu chung của mạch dao động VCO là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số ra phải tuyến tính Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần

số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch

 Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động là tần số dao động có thể biến biến thiên trong phạm vi + 10% ÷ + 50% xung quanh tần số dao động tự do Tuy nhiên các bộ dao động tạo xung chữ nhật được sử dụng rộng rãi vì loại này có thể làm việc trong phạm vi tần số khá rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz) Trong phạm vi từ 1MHz đến 50MHz thường dùng các mạch dao động đa hài

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH

1.3 Sơ đồ mạch

Trang 4/15

1.4 Nguyên lý hoạt động

 Khi ngõ vào Vcontrol bằng một lúc đó N1, N2, N3, N4 xuống đất và P1, P2, P3, P4 dẫn Lúc này ngõ ra đèn sẽ nhấp nháy

 Khi ngõ vào Vcontrol bằng không lúc đó N1, N2, N3, N4 không dẫn và P1, P2, P3, P4 sẽ ở mức Hi-Z Lúc đó ngõ ra bằng không đèn tắt

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC THI

1.5 Kết quả mô phỏng

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

Hình 2 - 1: Mạch mô phỏng

Hình 3 - 1: Sóng mô phỏng

 Vcontrol ở mức 0 mạch sẽ không hoạt động

 Vcontrol ở mức 1 mạch sẽ dao động

1.6 Đánh giá power

Trang 6/15

Hình 3 - 2: Đánh giá power

 Tổng công suất tiêu tán: 110.17 mW

 Công suất tiêu hao tĩnh: 79.92 mW

 Công suất tiêu hao ngõ vào và ngõ ra: 30.25 mW

1.7 Sử dụng tài nguyên

Hình 3 - 3: Đánh giá tài nguyên sử dụng Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

 Tổng số các phần tử logic: 0 / 33.216 (0 % )

 Tổng số chức năng tố hợp: 0 / 33.216 ( 0 % )

 Thanh ghi dành riêng logic: 0 / 33.216 ( 0 % )

 Tổng các thanh ghi: 0

 Tổng số chân: 3 / 475 ( < 1 % )

 Tổng số chân ảo: 0

 Tổng bộ nhớ bits: 0 / 483.840 ( 0 % )

 Thành phần nhân 9 – bits được gán: 0 / 70 ( 0 % )

1.8 Thiết kế layout

Trang 8/15

Hình 3 - 4: Mạch Layout

1.9 Mô tả RTL một cổng đảo ba trạng thái

1.10 Mô tả RTL cổng đảo ba trạng thái kết nối với nhau

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

Hình 3 - 5: Mô tả RTL một cổng đảo ba trạng thái

Hình 3 - 6: Mô tả RTL cổng đảo ba trạng thái kết nối với nhau

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.11 Kết luận

 Mạch mô phỏng hoạt động đúng như đề tài yêu cầu Thực hiện trên kit DE2 hoạt động đúng với khi mô phỏng mạch

1.12 Ứng dụng

 Mạch dao động VCO được sử dụng trong thực tế rất nhiều như: thiết bị gây nhiễu điện tử, sản xuất âm nhạc điện tử, vòng khóa pha, thiết bị truyền thông

4.3 Hướng phát triển

 Mạch dao động VCO phát triển lên ứng dụng vào mạch vòng khóa pha Nó

là mạch điện tử được sử dụng để khóa tần sô ngõ ra của mạch dao động điều khiển điện áp với tần số ngõ vào liên tục so sánh pha ngõ vào với ngõ ra tần

số của mạch dao động VCO

Trang 10/15

 Sơ đồ khối vòng khóa pha

Hình 4 - 1: sơ đồ khối vòng khóa pha

 Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO để tạo ra tín hiệu sai lệch Vd(t)

 Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp Vd(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm và đưa vào mạch khuếch đại một chiều

 Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều Vd(t) để đưa vào điều khiển tần số của VCO

 VCO: bộ dao động mà tần số ra được điều khiển bằng điện áp đưa vào

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

 Nguyên lý hoạt động của mạch vòng khóa pha.

 Vòng khóa pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và ra Nghĩa là vòng khóa pha làm cho tần số f0 của tín hiệu VCO bám theo tần số fi của tín hiệu vào

 Khi không có tín hiệu vào vi thì điện áp ngõ ra Vout = 0 bộ dao động VCO hoạt động ở tần số Fn ( tần số này được cài đặt bằng điện trở tụ điện ngoài )

 Khi có tín hiệu vào vi, bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch Vd(t),

chỉ sự sai lệch về tần số và pha của tín hiệu Điện áp Vd(t) được lọc lấy thành phần biến đổi chầm nhờ LPF, khuếch đại đưa đến ngõ vào VCO, điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào Đến khi tần số fo của VCO gần bằng tần số fi, hệ thống hồi tiếp làm cho VCO đồng bộ ( khóa ) theo tần số tín hiệu vào Ở trang thái (lock) tần số fo của VCO đồng nhất ( bằng ) tần số vào fi, ngoài trừ sự sai biệt pha

Trang 12/15

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] Thiết kế vi mạch CMOS VLSI, Tống Văn On

[2] Bài giảng thiết kế hệ thống VLSI, Phạm Văn Sự, Đặng Hoài Bắc, Mai Linh

Hà Nội : Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2010

Tiếng Anh:

[3] Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989) The Art of Electronics (2nd ed.) Cambridge University Press

[4] moodle.insa-toulouse.fr

[5] tailieu.vn

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um

PHỤ LỤC

 Code cổng ba trạng thái đảo

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity trangthai is

port(

a: in std_logic;

en: in std_logic;

b: out std_logic

);

end trangthai;

architecture tri_state of trangthai is begin

process(a,en)

begin

if (en='0') then b <= 'Z';

else b <= not a;

end if;

end process;

end tri_state;

Trang 14/15

 Code ba trạng thái nối với nhau

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

entity vco is

port (

x,enable: in std_logic;

y: out std_logic

);

end vco;

architecture vco of vco is

component batrangthai

port (

a,en: in std_logic;

b: out std_logic

);

end component;

signal c: std_logic_vector(1 downto 0);

begin

batrangthai0: batrangthai port map (x,enable,c(0)); batrangthai1: batrangthai port map (c(0),enable,c(1)); batrangthai2: batrangthai port map (c(1),enable,y); end vco;

Thiết Kế Mạch Dao Động VCO

dùng công nghệ CMOS 0.5um