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

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
(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Nguyễn Phương Huy

GIÁO VIÊN
HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ
họ tên)

ThS. Nguyễn Thị Hải Ninh




NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 2021

GIÁO VIÊN CHẤM
(Ký ghi rõ họ tên)




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)




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 dòng 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 cơng 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 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 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. Ngồi việc có những đặc điểm tiêu
thụ điện




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 Cơ 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 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!





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 va ̀ các thông sô ́ cơ bản

13

1.4

So sánh OTA va ̀ Op-amp

14

1.4.1 So sánh


14

1.4.2 Ứng dụng của OTA

15

1.5

Y ́ tưởng thiết kê ́ va ̀ giải pháp

15

1.6 Tổng quan vê ̀ 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 sô ́ công thức cơ bản

23

1.8.3 Chức năng cơ bản

24

CHƯƠNG II. THIẾT KÊ ́ VA ̀ MƠ PHỎNG
1.1

Lựa chọn các thơng sơ ́ cho qua ́ trình mô phỏng

1.1.1

24
24

Các thông số của Mosfet

25

1.1.2 Các thông số cho mạch schematic

25

1.1.3 Kết qua ̉ 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 qua ̉ mô phỏng

38

CHƯƠNG III. KẾT LUẬN VA ̀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

50




Phụ lục hình ảnh





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.




Cascode

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
gấp

Cấu trúc cascode gấp,

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

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.




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




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 cơng
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. Dịng 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 vơ cùng lớn, có
phản hồi âm. OTA có thêm một dịng 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.




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 vô 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 không 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 =g . V
out

Trong đó:

m

id





● 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

= R .g

Vin+−Vin−¿¿

tải m

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
O
●


Điều khiển dòng điện bằng ∙Điều khiển điện áp bằng điện
áp (Vào áp ra áp)
Khuếch đại áp

●

điện áp (Vào áp ra dịng)
Khuếch đại dịng

●

●

Trở kháng ra cao

●

●

Băng thơng lớn

● Trở kháng ra vô cùng nhỏ

1.4.2 Ứng dụng của OTA

Trở kháng vào vô cùng lớn





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 cơng 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 cơng nghệ 130nm.
130nm chính là kích thước của các MOSFET được sử dụng để cấu tạo nên bộ
OTA,. Với cấu hình 3 Gương Dịng (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 trị 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 thơng 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
gm 1

A =B.
g

ds 5


+g

ds 6

)

(1)

(W ) (W )



B=

L

8

=

L

5

(2)

(W ) (W )

Băng thơng BW được tính theo phương trình 3,

BW =

gm 1 (3)

2 π CL




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

IDC

(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

SR


là tỷ lệ thuận với

như đã nêu

I DC

BW

gm

trong phương trình 6.
GBW

gm

SR ∞

I

DC

( 6)

Do đó, để cải thiện tốc độ biến đổi của bộ khuếch đại mà khơng 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 dịng, được đưa ra bởi phương trình 7
và phương trình 8
SM1 =¿




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 các
tham số có thể thay đổi thành bốn chiều của bóng bán dẫn và một dịng 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

B
ả
n
g
1
:
K
íc
h

th
ư
ớc
củ
a

transitor trong OTA
1.6 Tởng quan về gương dòng
Mối liên kết giữa Q1 và Q2 cung cấp dòng đầu ra IO liên hệ với dòng tham chiếu
IREF bởi tỷ lệ W và L của các transistor. Nói cách khác, quan hệ giữa IO và IREF được
xác định bởi 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.




Transitor

Độ rộng kênh, W(μm)

Chiều dài kênh, L(μm)

M 1𝖠M 2

2

1


M 3𝖠M 4

3

1

M 5𝖠M 6

6

1

M 6𝖠M 7

0.24

1

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:
1
ID 1 = k'n

(W )

(V gs−V tn )2 (1)

trong đó chúng ta đã bỏ qua điều chế độ dài kênh. Dòng cực máng của Q1 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 khơng,
ID 1 =I

REF

=

V

DD

−V

R

GS

(2)

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
ID 2 =I 0 = k'n


(W )

( V gs−V tn )2 (3)




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

(

)

I 0 = L 2 ( 4)
I
W
REF
( )
L1

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
V DS 1=V GS 1 (5)

Mặt khác, V DS 1 phải lớn hơn VT 2 như sau:
V DS 2 ≥ V GS 2−VT 2( 6)

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

I

out

( )(

=

W L
2

1

1+

λV

DS 2

)

(7)


+)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:

VO≥VGS −VT
(8)
Hay:

V O≥V OV




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
của Q2 khi
bằng với giá trị VGS
v
iD −v DS
GS
cụ thể.
tính

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:

I =(
W/
L)2 I
O
(

W/
L)1

REF

1+ VO−V GS
V
A2





(
1
0
)




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 =20 log

V PP(OUT)

(11)

V PP (¿)

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: