NGUYỄN HỮU CHỌNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Hữu Chọng

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ IC KHUẾCH ĐẠI
THUẬT TOÁN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS 130nm”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

KHOÁ 2011B

Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Hữu Chọng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS 130nm.

Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

h ng

c

ạch huếch đại thuật t
ạch huếch đại thuật t
thuật c

n .............................................12

n ...................................................13

ạch huếch đại thuật t

n. .........................14

1.2 Ứng dụng công nghệ CMOS trong thiết kế mạch huếch đại 1 . ................ 21
1. .1 Điện trở ...................................................................................................22
1.2.2 Tụ điện[6] ...............................................................................................23
1.2.3 Cuộn cảm[6] ...........................................................................................24
1.2.4 Transistor MOSFET[6] ........................................................................25
hương . Phân tích
.1

h i huếch đại vi

ạch huếch đại thuật t

n cơ ản ................................ 31



hiết kế mạch huếch đại .................................................................. 50

3.1 Lựa chọn ơ đồ và yêu cầu thiết kế.................................................................. 50
3.1.1 Lựa chọn ơ đồ thiết kế.................................................................................. 50
3.1.2 Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 51
3.2 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................... 51
3.2.1 Chức năng c c t n i t

t ng

ạch. ......................................................... 51

3.2.2 Nguyên lý hoạt động. ..................................................................................... 52
.

c ước thiết kế ............................................................................................... 53

3.3.1 Xây dựng ơ đồ mạch..................................................................................... 53
3.3.2 Thiết kế. ........................................................................................................... 55
. Phân tích và đ nh gi

ết quả đạt được theo từng ước thiết kế ................. 60

. .1 Phân tích. ........................................................................................................ 60
. .

ết uả đạt được ............................................................................................ 60

Kết luận .................................................................................................................... 62

được trình bày trong chương này.
 Chương 2. Phân tích khối khuếch đại thuật toán cơ bản.
Chương này sẽ trình bày những phân tích các yếu tố kỹ thuật bên trong mạch
khuếch đại thuật toán cơ bản, phân tích các mạch cơ bản có trong khuếch đại thuật
toán như khối vi sai, khối khuếch đại điện áp, khối gương dòng.
 Chương 3. Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán.
Chương này sẽ trình bày chi tiết các bước lựa chọn sơ đồ thiết kế, sử dụng
phần mềm mô phỏng để thiết kế mạch khuếch đại thuật toán và kết quả thu được
sau khi thiết kế.

3


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các
thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cũng như bè bạn trong viện, đặc biệt phải
kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan giáo viên trực
tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi nghiên cứu để hoàn thành luận văn tốt nghiệp
này.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Nguyễn Thanh
Loan, các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập
thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng
góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà luận văn đặt ra.

4


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm


6


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Danh sách hình vẽ
Hình 1.1.1. Mạch khuếch đại thuật toán ............................................................... 11
Hình 1.1.2. Sơ đồ các khối cơ bản mạch khuếch đại thuật toàn ............................ 13
Hình 1. 1.3. Output Voltage Swing ........................................................................ 15
Hình 1.1.4. ảnh hưởng của trở kháng ra ............................................................... 16
Hình 1.1.5a. Slew rate ............................................................................................ 17
Hình 1.1.5b. Sơ đồ mạch slew rate ........................................................................ 17
Hình 1.1.6a. Sơ đồ op_amp .................................................................................... 18
Hình 1.1.6b. Sự khuếch đại điện áp và dịch pha so với tần số .............................. 19
Hình 1.1.7 Thời gian thiết lập ................................................................................ 20
Hình 1.1.8 Gain Bandwidth Op-amp ..................................................................... 21
Hình 1.2.1 Mô hình tương đương điện trở ở tần số cao ........................................ 22
Hình 1.2.2 Sự phụ thuộc của điện trở vào tần số ................................................... 23
Hình 1.2.3 Mô hình tương đương của tụ điện ........................................................ 23
Hình 1.2.4. Đặc tính dung kháng theo tần số ....................................................... 24
Hình 1.2.5. Mô hình tương đương của cuộn cảm .................................................. 24
Hình 1.2.6: Sự phụ thuộc cảu cảm kháng vào tần số............................................. 25
Hình 1.2.7. Cấu tạo transistor NMOS ................................................................... 26
Hình 1.2.8: Đồ thị đặc tuyến hoạt động của transistor NMOS ............................. 27
Hình 1.2.9: Mô hình NMOS khi VGS>0 .................................................................. 28
Hình 2.1.1. Sơ đồ một bộ khuếch đại vi sai cơ bản................................................ 31
Hình 2.1.2 Mức điện áp đầu ra .............................................................................. 32
Hình 2.1.3. a.Đặc tuyến dòng điện đầu ra b.Đặc tuyến gain ............................... 35

7


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Danh sách các bảng biểu
Bảng 1: Các giá trị yêu cầu thiết kế khối khuếch đại ............................................. 51
Bảng 2: Thông số transistor ................................................................................... 54
Bảng 3: Kích thước transistor mạch chọn lần 1 ..................................................... 55
Bảng 4: Kích thước chuẩn của transistor trong mạch op-amp ............................... 57
Bảng 5: Giá trị yêu cầu và giá trị đạt được sau khi thiết kế ................................... 61

9


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Danh sách các từ viết tắt
OP-AMP
CMOS
Gmax

operational amplifier
Complementary Metal-OxideSemiconductor
Gain maximum

IC

Khuếch đại thuật toán
Công nghệ sử dụng trong thiết kế
mạch
Hệ số khuếch đại lớn nhất


Transistor hiệu ứng trường loại N
Transistor hiệu ứng trường loại P
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

hương 1. Lý thuyết chung
1.1 Tổng quan về khuếch đại thuật toán
1.1.1 Khái niệm
Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), được viết tắt là op-amp,
mạch khuếch đại thuật toán cũng giống như các mạch khuếch đại thông thường là
đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất các tín hiệu. Nhưng
nó khác mạch khuếch đại thông thường cơ bản ở chỗ tính chất của mạch khuếch đại
thông thường phụ thuộc trực tiếp vào kết cấu bên trong của mạch, còn tính chất của
mạch khuếch đại thuật toán hoàn toàn có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các
linh kiện mắc ở mạch ngoài.
Một khuếch đại thuật toán sẽ có hai đầu vào mà thực chất chính là 2 đầu của
một bộ khuếch đại vi sai, tầng đầu của bộ khuếch đại thuật toán. Bộ khuếch đại
thuật toán chỉ có một đầu ra duy nhất, hai đầu vào cấp nguồn và các chân bù điện
áp, bù tần số vv. Mạch khuếch đại thuật toán có ký hiệu như hình sau:

Hình 1.1.1. Mạch khuếch đại thuật toán
Trong đó V- và V+ là 2 ngõ vào đảo và không đảo của bộ khuếch đại thuật
toán, cũng chính là 2 đầu vào của bộ khuếch đại vi sai, hai ngõ vào đảo và không
đảo cho phép Op-amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng, ngõ ra chỉ
khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-amps có độ miễn nhiễu rất
11


Ngày nay, mạch khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng trong sự phát
triển của ngành khoa học Kỹ thuật mạch Điện tử tương tự nói chung và của công
nghệ vi mạch nói riêng. Trong đó, việc tính toàn các tham số, tính toán các hàm là
nhiệm vụ chính của mạch khuếch đại thuật toán.

12


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Sơ đồ đấu nối cũng như trị số của các linh kiện trong mạch được cho trong
các sổ tay mạch analog. Các mạch analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch
đại thuật toán như một mạch khuếch đại lý tưởng, thực hiện nhiều chức năng trong
các máy điện tử một cách gọn nhẹ đạt hiệu suất cao.
1.1.

u tạ mạch khuếch đại thuật t

n

Cấu trúc cơ bản của mạch khuếch đại thuật toán gồm 3 khối chính: Khối
khuếch đại vi sai, khối khuếch đại chính và khối khuếch đại đệm, 2 ngõ vào và 1
ngõ ra.

Hình 1.1.2. Sơ đồ các khối cơ bản mạch khuếch đại thuật toàn

Trong đó, khối khuếch đại vi sai là bộ khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại độ
sai khác giữa điện áp ngõ vào V1 –V2 và loại bỏ các giá trị điện áp trung bình của
chúng, Khuếch đại vi sai đước sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn nhỏ
(tới vài Hz), gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều.

dài hạn của điện áp offset đầu vào.
Dòng vào: Đầu vào của tất cả các Op-amp đều yêu cầu một giá trị xác định
của dòng phân cực cho sự hoạt động chính xác. Dòng phân cực đầu vào, IIB, được
tính toán bằng giá trị trung bình của hai đầu vào:
(1.1)
Các đầu vào CMOS và JFET yêu cầu dòng vào thấp hơn nhiều so với các đầu
vào của transistor lưỡng cực tiêu chuẩn. Sự khác biệt giữa các dòng phân cực của
các đầu vào đảo và không đảo được gọi là dòng offset đầu vào

Ios = IN +IP.

(1.2)

Maximum Output Voltage Swing: Điện áp ra tối đa VOM, được định nghĩa là
điện áp ra đỉnh đỉnh tối đa có thể thu được mà không bị cắt dạng sóng[3], khi điện

14


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

áp ra DC tĩnh bằng 0. VOM được giới hạn bởi trở kháng ra của tầng khuếch đại, điện
áp bão hòa của các transistor đầu ra và các điện áp cung cấp công suất.

Hình 1. 1.3. Output Voltage Swing[3]
Input Common Mode voltage range: Điện áp common input được định
nghĩa là điện áp trung bình tại các chân đầu vào đảo và không đảo. Nếu điện áp
common mode nhận giá trị quá cao hoặc quá thấp thì mạch sẽ ngừng hoạt đông và
không còn hoạt động chính xác. Khoảng điện áp đầu vào common mode, VICR, là
khoảng mà trên đó đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường.


. Tuy nhiên, không

phải tất cả các khuếch đại thuật toán đều có các tụ bù. Trong các khuếch đại thuật
toán không có các tụ bù bên trong, Slew rate được xác định bằng các tụ ký sinh bên
trong của khuếch đại thuật toán .

SR 

Vout
t

16

(1.3)


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Hình 1.1.5a. slew rate [3]
Các khuếch đại thuật toán không được bù có slew rate và băng thông tốt hơn,
nhưng người thiết kế phải đảm bảo độ ổn định của mạch điện. Trong các Op-amp,
công suất tiêu thụ được đánh đổi (trade-off) với tạp âm và tốc độ. Để tăng Slew rate,
các dòng phân cực trong khuếch đại thuật toán phải được tăng lên.

Hình 1.1.5b. sơ đồ mạch slew rate [3]

17



Hình 1.1.6b. Sự khuếch đại điện áp và dịch pha so với tần số[3]
Thời gian thiết lập: Phải mất một khoảng thời gian hữu hạn để thiết lập trạng
thái cân bằng đối với một tín hiệu để truyền qua mạch điện bên trong của một

19


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

khuếch đại thuật toán và sẽ mất một khoảng thời gian để đầu ra phản ứng với một
sự thay đổi mức của tín hiệu đầu vào. Ngoài ra, đầu ra thường vượt quá giá trị mục
tiêu, dao động giảm dần, và thiết lập tới giá trị cuối cùng. Thời gian thiết lập, ts là
thời gian yêu cầu để điện áp ra đạt thiết lập trong mà không vượt quá một tỷ lệ cụ
thể của giá trị cuối cùng căn cứ vào một đầu vào bước nhảy. Thời gian thiết lập là
một vấn đề thiết kế trong các mạch điện thu nhận dữ liệu khi các tín hiệu thay đổi
nhanh.

Hình 1.1.7 Thời gian thiết lập
Gain Bandwidth Op-amp: Là dải tần số mà giá trị được đo từ f=1 Hz cho
tới điểm mà tại đó Gain của mạch suy giảm 3dB.Tần số mà tại đó Gain của
Comparator chỉ còn 1 hoặc 0dB được gọi là unity gain frequency.

20


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Hình 1.1.8 Gain Bandwidth Op-amp
Hệ s


hoạt động do đó năng lượng tiệu thụ của mạch CMOS rất thấp, đồng thời công
nghệ CMOS có kích thước rất nhỏ nên cho phép tích hợp ở mật độ cao hơn. Nhờ có
ưu điểm này mà CMOS dần thay thế công nghệ lưỡng cực (sử dụng transistor
BJT).
Trong vi mạch mà tôi thiết kế sử dụng công nghệ CMOS 130nm, với linh
kiện chính là transistor MOSFET và được hoạt động ở tần số cao. Ngoài ra, vi mạch
sử dụng thêm một số điện trở, cuộn cảm và tụ điện theo công nghệ CMOS. Dưới
đây tôi sẽ trình bày sơ lược về cấu tạo, đặc tính của các linh kiện này. Đặc biệt, có
xét tới ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới hoạt động của các linh kiện (mạch thiết
kế nhận tín hiệu vào ở tần số 2.4 GHz) cũng sẽ được xét tới.
1. .1 Điện trở
Hiện nay trong các vi mạch đều sử dụng các điện trở màng mỏng, do kích thước
cực nhỏ của chúng [1].

Hình 1.2.1 Mô hình tương đương điện trở ở tần số cao
Hình 1.2.1 mô tả mô hình tương đương của điện trở khi có tín hiệu tần số cao đi
qua. Như vậy ở tần số cao điện trở sẽ xuất hiện các tụ điện và cuộn cảm ký sinh, lúc
này nó không còn là thuần trở, và giá trị điện trở phụ thuộc vào tần số.

22


Thiết kế mạch khuếch đại thuật toán sử dụng công nghệ CMOS 130nm

Hình 1.2.2 Sự phụ thuộc của điện trở vào tần số [1]

1.2.2 Tụ điện[6]
Trong các vi mạch cả tương tự và số, tụ điện được sử dụng rất phổ biến cho
nhiều mục đích khác nhau như điều chỉnh mạch lọc tần số, phối hợp trở kháng, khử
méo dạng tín hiệu…