TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ
******

ĐỒ ÁN MƠN 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:
Lớp:

Nguyễn Tiến sỹ
Ngô Hồng Quân
54KĐT.01

Thái Nguyên - 2021
1


KHOA ĐIỆN TỬ

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM

BỘ MƠN 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 – K185520207032
Lớp: 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 trị 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

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

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)

3


KHOA ĐIỆN TỬ

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM

BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GHI ĐIỂM
CHẤM ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Sinh viên: :

1. Nguyễn Tiến Sỹ

K185520207035

2. Ngơ Hồng Qn

K185520207032

Lớp: K54KĐT.01

Khố: K54


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...........
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2021

Cán bộ chấm
(Ký và ghi rõ họ tên)

4


LỜI MỞ ĐẦU
Cơng 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 kháng
trung bình, có sẵn các nguồn dịng khơng đổi. Tụ điện lớn, như ta đã từng sử dụng cho
việc ghép tầng tín hiệu và dẫn tín hiệu tín hiệu nhưng khơng sẵn có trong chip. Trừ các
linh kiện nằm ngồi vi mạch tích hợp. Thậm chí, số lượng những tụ điện này phải được
giữ ở mức tối thiểu. Tuy nhiên, tụ điện rất nhỏ, có đơn vị picofarad và nhỏ hơn picofarad
lại rất dễ để chế tạo với công nghệ IC MOS và có thể được kết hợp với các bộ khuếch đại
MOS 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 ta
cần phải cố gắng thu được nhiều chức năng mong muốn nhất có thể chỉ sử dụng transistor
MOS và khi cần thiết là tụ MOS loại nhỏ. Transistor MOS có thể sắp xếp theo kích
thước; tức là các giá trị W và L của nó có thể được chọn lựa để phù hợp với một phạm vi
yêu cầu thiết kế rộng. Ngoài ra, các mảng transistor có thể được ghép với nhau để thu
được các khối mạch hợp nhất như các khối mạch dịng điện đối xứng
Xu hướng đóng gói một lượng lớn linh kiện trên cùng một vi mạch IC làm giảm bớt
kích thước của linh kiện. Năm 2003, người ta đã sử dụng các cơng nghệ CMOS có khả
năng tạo ra các linh kiện với độ dài kênh tối thiểu 0.1μm. Những linh kiện này làm việc ở
điện áp một chiều gần 1V. Khi linh kiện làm việc ở điện áp thấp, có thể giúp giảm thiểu
tiêu thụ cơng 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 quá ngưỡng mở chỉ khoảng
0,2V. 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 cả
tương tự và số cũng như đã kết hợp các ứng dụng tương 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 đa chức năng, ví dụ như transistor cao tần lắp
trên 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 cơng 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
thay đổi biên độ dao động, một công nghệ mới là cần thiết để thiết kế mạch của bộ
khuếch đại sinh học. Dựa trên các tài liệu, cấu trúc OTA đối xứng hay cấu trúc gương
dòng được thực hiện trong việc thiết kế bộ khuếch đại sinh học để đạt được công suất tiêu
thụ cực thấp với khả 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 ECG
lên 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 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 liên quan.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Hải Ninh đã tận tình chỉ dẫn và
giúp đỡ chúng em hồn 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 cịn hạn
chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, chúng em rất mong nhận được
sự thơng cảm và đóng góp của thầy, cơ và các bạn để đồ án hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

6


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

Ứng dụng của mạch gương dòng......................................................................22

1.8

Cấu hình Three Current Mirror............................................................................22

1.8.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror.......................................................22
1.8.2 Một số công thức cơ bản:................................................................................23
1.8.3 Chức năng cơ bản............................................................................................24
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG............................................................................24
1.1

Lựa chọn các thơng sớ cho quá trình mô phỏng..............................................24

1.1.1


Các thông số của Mosfet .............................................................................25

1.1.2 Các thông số cho mạch schematic.................................................................25
1.1.3 Kết quả mô phỏng theo bài báo......................................................................26
1.2

MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM 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


Phụ lục hình ảnh

8


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay các thiết bị điện tử ngày càng được phát triển mạnh mẽ và nhân rộng, phủ khắp,
phục vụ cho các nhu cầu bức thiết trong nhiều lĩnh vực trong đời sống. Các thiết bị điện
tử nói chung được cấu tạo từ nhiều linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn cấu thành nên các
bộ phận, các khâu khác nhau ghép lại để thực hiện được các chức năng mong muốn.
Trong Bảng dưới đây được hiển thị các cấu trúc tương tự cơ bản thường được sử dụng để
xây dựng một tế bào tương tự.

Tên cấu
trúc tương
tự

Sơ đồ

mô tả cơ bản

Cổng S
chung

Cấu trúc nguồn chung
(nguồn kết nối với nguồn
cung cấp điện áp DC, đầu
vào tại cổng và đầu ra ở
đầu cổng), chuyển đổi
điện áp thành dòng điện.

Common
drain

Cấu trúc cổng chung (cổng
được kết nối với nguồn
cung cấp điện áp DC, đầu
vào tại cổng và đầu ra ở
đầu cực nguồn), chuyển
đổi điện áp thành dòng
điện và theo dõi điện áp
đơn giản nhất.


9


Cấu trúc Cascode, được sử
dụng trong điện áp để
chuyển đổi hiện tại, trong
giai đoạn nguồn và cổng
chung và nó có trở kháng
đầu ra cao.

Cascode

Cấu trúc cascode gấp,
được sử dụng để chuyển
đổi điện áp thành dòng
điện và cũng là một biến
thể giai đoạn cascode

Cascode
gấp

Cặp vi sai

Cấu trúc cặp vi sai, chuyển
đổi điện áp đầu vào vi sai
thành dòng điện.

Cấu trúc vi
sai cascode


Cấu trúc cặp vi sai được
mã hóa, chuyển đổi điện
áp đầu vào vi sai thành
dòng điện và cũng được sử
dụng làm biến thể cặp vi
sai.

10


Cặp vi sai
cascode
gấp

Cấu trúc cặp vi sai được
mã hóa gấp, chuyển đổi
điện áp đầu vào vi sai
thành dòng điện và cũng
được sử dụng làm biến thể
cặp vi sai tương tự như
cặp vi sai mã hóa đơn
giản.

Gương
dịng điện

Cấu trúc gương dịng điện,
sao chép dòng điện qua
một thiết bị hoạt động
bằng cách điều khiển dòng

điện trong một thiết bị
hoạt động khác của mạch,
giữ cho dịng điện đầu ra
khơng đổi bất kể tải và nó
cũng được sử dụng cho
phép nhân hoặc chia hiện
tại .

Gương
dịng điện
cascode

Cấu trúc gương dịng
Cascode, sao chép chính
xác hiện tại, nó được sử
dụng để nhân hoặc chia
hiện tại và nó cũng có trở
kháng đầu ra cao.

Bảng 1: Thư viện cấu trúc tương tự cơ bản

11


Một trong các bộ phận quan trọng đó chính là Bộ Khuếch Đại Bộ khuếch đại thông
dụng thường sử dụng Op-amp và OTA. OTA và Op-amp được ứng dụng rộng rãi trong
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 Opamp là cực kỳ quan trọng với sinh viên chuyên ngành nói riêng và sự phát triển công
nghệ 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, có phản 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 áp
đầu vào di động tạo ra một dòng điện đầu ra. Hoạt động lý tưởng được đặc trưng bởi giai
đoạn 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 một
dòng đầu ra và cũng triệt tiêu dịng điện phân cực DC. Cơng nghệ MOS được sử dụng
rộng rãi trong thiết kế OTA do mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, trở kháng vơ hạn đầu
vào 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 khơng
phải là hàm tuyến tính của điện áp đầu vào vi sai.

1.3 Nguyên lý chung và các thông số cơ bản
1.3.1 Nguyên lý chung:
Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại bao gồm có cả đầu vào đảo và đầu vào
không đảo, mạch khuếch đại thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu
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 dịng lý tưởng là :

Iout = (Vin+ - Vin-).gm
hay:

I out =gm . V id

Trong đó:
13


 Vin+ là điện áp đầu vào không đảo
 Vin- là điện áp đầu vào đảo
 gm là độ hộ dẫn
Điện áp đầu ra: Vout = Iout . Rtải
Độ tăng điện áp: G =

Vout
= Rtải.gm
Vin+−Vin−¿ ¿

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 vi
sai gồm 2 bóng bán dẫn NMOS, các gương dịng đơn giản được thơng qua để phân
cực các biến tần trong mạch.(Hình 3)

Hình 2: Cấu trúc của OTA
1.4 So sánh OTA và Op-amp
1.4.1 So sánh
a, Giống nhau
Đều là mạch khuếch đại tín hiệu, có trở kháng đầu vào lớn.
b, Khác nhau

OTA
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 dụng của OTA
14


Ứng dụng của OTA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhưng chủ yếu
dùng trong lĩnh vực y tế. Sử dụng thiết kế máy siêu âm, máy điện não, điện tim,
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 việc
thiết kế các linh kiện ngày càng nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo được hiệu năng làm
việc 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 nhỏ thì 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 bộ
OTA,. 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 chọn dựa
vào cơ sở lý thuyết sau:
OTA với cấu trúc liên kết đối xứng hoặc cân bằng được thực hiện trong hệ thống

phát hiện tiềm năng sinh học bởi vì độ dẫn lớn hơn, tốc độ biến đổi lớn hơn và
băng thông khuếch đại (GBW) lớn hơn được tạo ra trong thời gian hoạt động của
OTA. Thiết kế của mạch được xây dựng từ một số gương dịng đóng vai trò như
là hoạt động tải. OTA đối xứng còn được gọi là OTA ba gương dịng trong đó cặp
đầu vào vi sai bao gồm hai bóng bán dẫn NMOS. Có biến tần tự thiên và ba
gương dịng đơn giản được thông qua để phân cực các biến tần trong mạch. Mức
tăng điện áp, AV của OTA đối xứng được đưa ra là phương trình 1 và phương
trình 2
A v =B .

(

)

gm1
(1)
gds 5 + gds 6

W
W
(
)
(
L
L)
B=
=
(2)
W
W

( L) (L)
8

5

3

4

Băng thông BW được tính theo phương trình 3,
BW =

gm 1
(3)
2 π CL
15


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

I DC
(4)
CL

Với I DC là dòng phân cực.
Bộ khuếch đại sinh học được thiết kế hoạt động ở vùng đảo ngược. Bộ khuếch đại
đối xứng có băng thơng khuếch đại 500 kHz sẽ tạo ra khoảng 300 mV / μs như
được viết trong phương trình 5:
SR=4 πnV T . BW ≅ 600 mV . BW (5)


Trong đó n là hệ số dốc.
Vì vậy, từ cơng thức trên, có thể nói rằng

I DC
SR
là tỷ lệ thuận với
như đã nêu
BW
gm

trong phương trình 6.
I DC
SR
∞
( 6)
GBW g m

Do đó, để cải thiện tốc độ biến đổi của bộ khuếch đại mà không ảnh hưởng
đến băng thơng khuếch đại, dịng điện phân cực đi qua từng bóng bán dẫn trong bộ
khuếch đại sinh học phải được tăng lên, do đó sẽ tăng tổng mức tiêu thụ điện của bộ
khuếch đại sinh học. Do đó dựa trên lý thuyết OTA đối xứng, một số kỹ thuật nhất
định phải được áp dụng vào OTA để đảm bảo có sự thay đổi giữa các bộ khuếch đại
sinh học hiệu suất về tốc độ biến đổi và đạt được băng thông với tổng 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 bán dẫn
của tầng đầu vào vi sai và bậc gương dòng, được đưa ra bởi phương trình 7 và
phương trình 8
SM 1 =¿


16


SM 1 =SM 2 , SM 3=SM 4 , SM 5=SM 6 , SM 7 =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 các
tham số có thể thay đổi thành bốn chiều của bóng bán dẫn và một dòng điện phân cực
vào OTA. Trong bài báo này, OTA đối xứng được thiết kế với ba chất bán dẫn oxit
kim loại bổ sung (CMOS) các công nghệ 180nm, 130 nm và 90 nm. Mỗi OTA được
thiết kế ở 180nm, 130 nm và 90nm đã sử dụng cùng một cấu trúc liên kết đối xứng và
cùng kích thước của các bóng bán dẫn như được tính tốn trước đó. Kích thước của
bóng bán dẫn được tính tốn cẩn thận để đảm bảo có sự cân bằng giữa sự cân bằng
giữa công suất tiêu thụ và đạt được của OTA. Hình 1 cho thấy cấu trúc của OTA đối
xứng và kích thước của bóng bán dẫn được thể hiện trong Bảng 2
Transitor

Độ rộng kênh, W( μm)

Chiều dài kênh, L( μm)

M 1∧M 2

2

1

M 3∧M 4

3


1

M 5∧M 6

6

1

M 6∧M 7

0.24

1

Bảng
1:
Kích
thước
của

transitor trong OTA
1.6 Tổng quan về gương dòng
Mối liên kết giữa Q1 và Q2 cung cấp dòng đầu ra I O liên hệ với dòng tham chiếu I REF
bởi tỷ lệ W và L của các transistor. Nói cách khác, quan hệ giữa I O và IREF được xác định
bởi cấu tạo của các transistor. Trong trường hợp đặc biệt của các transistor giống nhau, I o
= 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.

17



Hình 4 : Mạch sử dụng MOSFET tạo nguồn dịng cơ bản
Trung tâm của mạch là transistor Q 1, cực máng được nối với cực cổng, do đó khiến
cho transistor phải làm việc ở chế độ bão hòa với:

( )

1 ' W
2
I D1= k n
( V −V tn ) (1)
2
L 1 gs

trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh. Dòng cực máng của Q 1 được cung
cấp bởi VDD thông qua điện trở R, trong hầu hết các trường hợp sẽ nằm ngồi IC. Vì
các dịng cổng bằng không,
I D 1 =I REF=

V DD −V GS
(2)
R

trong đó dịng qua R được coi là dịng 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 thiết
cho R.
MOSFET Q2: Nó có cùng VGS với Q1; do đó, nếu chúng ta giả sử rằng nó đang hoạt
động ở trạng thái bão hịa thì dịng cực máng nó là Io của nguồn hiện tại, sẽ là


( )

1
W
2
I D 2 =I 0 = k ' n
( V −V tn ) (3)
2
L 2 gs

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
W
)
I0
L 2
=
(4)
I REF W
( )
L 1
(

Để vận hành đúng cách, đầu ra đầu ra, nghĩa là cổng của Q 2, 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 dịng cascade
V DS 1=V GS 1 (5)

Mặt khác, V DS 1 phảilớn hơn V T 2 như sau:
V DS 2 ≥ V GS 2−V T 2( 6)

Với các điều kiện này, phương trình MOSFET ở chế độ bão hịa như sau:

( )(

)

I out W 2 L1
λ V DS 2
=
1+
(7)
I ref
W 1 L2
λ V DS 1

+)Ảnh hưởng của Vo lên Io: trong những mơ tả trên cho q trình làm việc của
nguồn dịng trong hình 6.1, ta đã giả thiết rằng Q2 đang làm việc ở vùng bão hòa. Điều
này là cần thiết để Q2 cung cấp dịng điện đầu ra có giá trị khơng đổi.Q2 đã bão hịa,
mạch điện phải được thiết lập điện áp cực máng VO thỏa mãn quan hệ:


V O≥V GS −V T
Hay:

V O≥V OV
19

(8)


Dòng cực máng của IO = IREF ở cùng giá trị VOV làm cho hai linh kiện có cùng VDS, tức là,
ở VO = VGS. Khi VO vượt quá giá trị này, IO sẽ tăng khi trở kháng ra ro2 của Q2 tăng . Điều
này được thể hiện trong hình 2, nó thể hiện quan hệ giữa IO và VO. Quan sát thấy rằng vì
Q2 đang làm việc ở VGS khơng đổi, đường cong trong hình 2 đơn giản là đường cong đặc
tính

iD −v DS

của Q2 khi

v GS

bằng với giá trị VGS cụ thể.

RO =

ΔV O
ΔI O

=r O 2 =


V A2
IO

(9)

Trong đó IO được cho bởi phương trình (3) và VA2 là điện áp Early của Q2. Ngoài ra, với
quy trình cơng nghệ cho trước, thì VA tỷ 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 dịng điện đầu ra IO như sau:

IO =

(

(W / L)2
V O−V GS
I REF 1+
(W / L)1
V A2

20

)

(10)


Hình 5 : Đặc tính đầu ra điện
cực nguồn và sự biến đổi của

Q2 tương ứng với Q1

+) 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 xác định
mức độ hiệu suất của OTA được thiết kế.
+) Hệ số khuếch đại vòng hở
Tỷ lệ thay đổi điện áp đầu ra so với sự thay đổi điện áp đầu vào của OTA có thể được
định nghĩa là mức tăng DC vịng hở được tính theo cơng thức:
A D=20 log

V PP(OUT)
V PP (¿)

(11)

Độ lợi vòng hở còn được gọi là khuếch đại hoặc khuếch đại điện áp ở chế độ vi sai
+) Độ lợi ở chế độ chung
Tỷ lệ thay đổi điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào khi cả hai điện áp đầu vào được cung
cấp vào OTA cùng pha. Nó cịn được gọi là khuếch đại điện áp chế độ chung và được
tính bằng cơng thức:

21


AC =20 log

V PP(OUT)
V PP(¿)


(12)

+) 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 độ
chung và có thể tính bằng cơng thức:
CMRR (dB)=20 log

AD
(13)
AC

Nó cịn 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 sai càng
cao càng tốt (theo thông số kỹ thuật).
+) Sự tiêu thụ năng lượng
Tiêu thụ điện năng trong OTA thực sự quan trọng vì cơng nghệ MOSFET đã đạt đến kích
thước siêu nhỏ. Sự cải tiến này trong công nghệ MOSFET dẫn đến các hiệu ứng ngắn
kênh khơng mong muốn xảy ra trong chính các bóng bán dẫn ảnh hưởng đến hiệu suất
OTA theo một cách xấu. Một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng cao trong 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 cơng thức:
P=( I 5 + I 6 + 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 tế khơng
có gì gọi là hồn hảo hay lý tưởng. Tuy nhiên, trước khi hiểu được những hạn chế của các
mạch gương dòng đối với các ứng dụng trong thế giới thực, người ta cần hiểu 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 khơng phụ thuộc vào dịng 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 định mỗi
lần. Đây không phải là trường hợp trong nguồn điện áp trong thế giới thực. Trong thực tế
các nguồn điện áp như pin, nguồn điện, vv... không thể cung cấp dịng điện vơ hạn hoặc
vơ hạn cho các phụ tải.

22


Giống như nguồn điện áp lý tưởng, không phân biệt điện áp đầu cực, nguồn hiện
tại có thể cung cấp hoặc chấp nhận dòng điện. Nhưng trong thế giới thực, điện áp cũng
ảnh hưởng đến quá trình phân phối hiện tại khơng đổi.
Trong trường hợp mạch gương dịng, điện áp và nguồn dịng là lý
tưởng. Nhưng trong thực tế, chúng có tiếng ồn, dung sai, gợn sóng do đó điện áp đầu ra
thay đổi. Tất cả điều này ảnh hưởng đến đầu ra gương dịng.
Khơng chỉ điều này, mà về mặt lý thuyết trong các mạch gương hiện tại lý tưởng,
trở kháng AC được chấp nhận là vô hạn, nhưng đây không phải là trường hợp trong kịch
bản thế giới thực. Mạch gương dòng trong thực tế có trở kháng hữu hạn. Ngồi ra việc
thực hiện mạch tạo ra điện dung ký sinh dẫn đến giới hạn tần số .
1.6 Ứng dụng của mạch gương dịng
Có nhiều ứng dụng của Mạch gương dòng trong lĩnh vực sản xuất mạch tích
hợp. Nguồn dịng tham chiếu được tạo bằng cách sử dụng mạch gương dòng. Bằng
cách sử dụng kỹ thuật này, nhiều điểm tham chiếu có thể được tạo từ một nguồn
duy nhất. Do đó, thay đổi một điểm tham chiếu cũng thay đổi nguồn dòng trên các phần
khác nhau của mạch.

1.7 Cấu hình Three Current Mirror
1.7.1 Khái niệm cấu hình Three current mirror
Mạch gương dòng là một mạch được thiết kế để sao chép một hiện thông qua

một thiết bị hoạt động bằng cách kiểm sốt dịng điện trong một thiết bị hoạt động của một
mạch, giữ cho dòng điện khơng đổi sản lượng khơng phụ thuộc tải. Dịng điện đang được
"sao chép" có thể, và đơi khi là một dịng tín hiệu khác nhau. Về mặt khái niệm, một
gương dịng lý tưởng chỉ đơn giản là một bộ khuếch đại dòng ngược lý tưởng Hoặc nó có
thể bao gồm một nguồn dịng được kiểm sốt (CCCS)  . Mạch three current mirors là mạch
gương dịng 3 tầng được minh họa như hình 5.

23


Hình

6:

Mạch

OTA

sử

dụng

cấu

hình

three

current


mirror

OTA thực hiện cấu trúc liên kết gương dịng đối xứng. Cấu trúc liên kết có một số
lợi thế; độ dẫn lớn hơn, tốc độ quay lớn hơn và băng thơng khuếch đại lớn hơn được tạo
ra trong q trình khuếch đại. OTA được thiết kế từ một số gương dòng hoạt động như tải
hoạt động cho nhau. Giai đoạn đầu vào của OTA bao gồm hai NMOS trong cấu trúc cặp
vi sai và sau đó ba gương dịng đơn giản được chế tạo để phân cực biến tần trong mạch
OTA như trong hình 5. Mạch OTA được thiết kế bằng cách sửa kích thước của cặp đầu
vào vi sai và gương dịng .
1.7.2 Một số cơng thức cơ bản:

√

W
Itail
L1
BItal
( λn+ λp)
Độ dẫn đầu ra: gout =g on+ g op =
2

Độ hộ dẫn: Gm=Bgm 1=B K P n

Hệ số khuếch đại:

AV =Gm Rout =
ω p 1=

B gm 1
=

gon + g op

g on+ g op
CL
24

2

√

K Pn . W
Itail. L1
λn+ λp


ω p 2=

g mp
gm
≈
C Mp ( 1+ B ) C gsp

Gm
Băng thông:
GBW = =
CL

√

B K Pn


W
Itail
L1

CL

BItal

Tốc độ quay: SR= C
L

1.7.3 Chức năng cơ bản
Chức năng tạo ra một bản sao của dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi một thiết bị đầu
cuối đầu vào bằng cách sao chép dòng điện trong một thiết bị đầu ra. Một tính năng quan
trọng của gương dòng là điện trở đầu ra tương đối cao giúp giữ cho dịng điện đầu ra
khơng đổi bất kể điều kiện tải. Một tính năng khác của gương dịng là điện trở đầu vào
tương đối thấp giúp giữ cho dòng điện đầu vào không đổi bất kể điều kiện ổ đĩa.  Dịng
điện được 'sao chép' có thể và thường là dịng tín hiệu khác nhau. Gương dịng thường
được sử dụng để cung cấp dòng điện phân cực và tải hoạt động trong các giai đoạn
khuếch đại. Nó cũng có thể được sử dụng để mơ hình hóa một nguồn dịng thực tế hơn
(vì các nguồn dịng lý tưởng khơng tồn tại).

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG
1.1 Lựa chọn các thơng số cho quá trình mô phỏng
Các thông số trong mạch được lựa chọn và tính toán dựa trên bài báo:
Comparative study of symmetrical OTA performance in 180 nm, 130 nm and 90
nm CMOS technology. Từ Tạp chí Kỹ Thuật Điện và Khoa học Máy tính của
Indonesia. Dựa vào các công nghệ đã được thực hiện thiết kế và mô phỏng được
trình bày trên bài báo. Nhóm chúng em đã lựa chọn công nghệ 130nm để thực hiện

thiết kế và mô phỏng lại. Trong quá trình mô phỏng kết quả mô phỏng có thể có
sai lệch trên bài báo do nhiều lí do cả chủ quan lẫn khách quan như do khác phần
mềm, do sai sót trong quá trình cài đặt thông số v.v.. Khi thực hiện bằng phần
mềm Cadence để mô phỏng mạch dùng công nghệ 130nm do không có sẵn công
nghệ như công nghệ 90nm được tích hợp sẵn trong phần mềm và công nghệ 90nm
đã được hướng dẫn trong quá trình thực hành môn học trong học kỳ. Nhóm em đã

25