Thiết kế bộ khuếch đại thuật toán RF dải tần 200 mhz trên công nghệ CMOS

Kỹ thuật điện tử Tr.V.Hải, N.V. Khôi, N.Tr. Duy, “Thiết kế bộ khuếch đại . trên công nghệ CMOS.” 80 THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN RF DẢI TẦN 200 MHz TRÊN CÔNG NGHỆ CMOS Trần Việt Hải1*, Nguyễn Văn Khôi1, Nguyễn Trần Duy2 Tóm tắt: Bộ khuếch đại thuật toán (OPAMP) thường sử dụng với tần số thấp. Bài báo này đề xuất một giải pháp thiết kế cho bộ khuếch đại OPAMP cho dải tần đến 200MHz sử dụng công nghệ CMOS. Các kết quả mô phỏng cho thấy băng thông có thể lớn hơn cho phép ứng dụng cho các máy thu phát RF. Từ khóa: Khuếch đại thuật toán, Công nghệ CMOS, Máy thu phát RF. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện tại, do yêu cầu về kích thước, tần số, tốc độ và mức độ tích hợp, trong nền công nghiệp Silicon có nhiều công nghệ vật liệu mới. Các bộ khuếch đại RF có thiên hướng sử dụng các công nghệ mới, mặc dù vậy, công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) vẫn được chú trọng cho các thiết kế RF tại thời điểm hiện nay vì ưu thế giá thành thấp và các ưu thế tiềm năng khác[1]. Các đặc tính của CMOS là các đặc tính căn bản phù hợp với bộ khuếch đại thuật toán OPAMP như trở kháng lối vào lớn, trở kháng lối ra nhỏ, dễ dàng phối hợp trở kháng, tạp âm thấp, khả năng triệt nhiễu cao và có hệ số khuếch đại lớn khi cấu thành các mạch khuếch đại vi sai và khuếch đại xếp chồng (Cascode). Nguồn nuôi CMOS có thể sử dụng dải rộng, tiêu thụ năng lượng thấp. Khi chế tạo mạch tương tự (Analog) trên công nghệ CMOS có thể thiết kế với độ tích hợp cao, chế tạo mạch với kích thước nhỏ [1][2]. Các tham số chính của bộ khuếch đại bao gồm: Hệ số khuếch đại (HSKĐ); Độ tuyến tính; Trở kháng vào, ra; Độ biến đổi của điện áp (Voltage swings); Điện áp cung cấp; Nhiễu; Năng lượng tiêu hao; và Tốc độ. Trong thực tế hầu hết các tham số có mối quan hệ tương tác qua lại với nhau, cho nên trong mỗi thiết kế chúng ta cần lựa chọn một giải pháp thỏa hiệp phù hợp [3]. Để đạt được các đặc tính tổng thể theo yêu cầu, các thiết kế thường ghép nối các kiểu khuếch đại khác nhau. Đối với các ứng dụng khuếch đại, yêu cầu chi phối trước là trở kháng vào cao, HSKĐ lớn, trở kháng ra thấp. Sơ đồ khối của một OPAMP hai tầng với bộ đệm đầu ra được đưa ra trong Hình . Tầng đầu tiên là một bộ khuếch đại vi sai. Tầng tiếp theo là một tầng khuếch đại khác, có thể là bộ khuếch đại cực nguồn chung. Tầng cuối cùng là bộ đệm đầu ra. Nếu bộ OPAMP được cấp cho tải thuần dung nhỏ, như trong các ứng dụng chuyển đổi dữ liệu hoặc chuyển mạch tụ điện thì tầng đệm đầu ra là không cần thiết. Trong trường hợp OPAMP cấp cho tải điện trở hoặc tải có tính dung lớn thì cần có tầng đầu ra. Thiết kế một bộ OPAMP bao gồm việc xác định các chỉ tiêu tham số, lựa chọn kích thước phần tử, các điều kiện thiên áp, bù nhằm đạt được sự ổn định, mô Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 81 phỏng và tham số hóa độ lợi mạch hở, phạm vi dải đầu vào CMR, tỉ lệ triệt tiêu tín hiệu đồng thời CMRR, tỉ lệ triệt tiêu biến thiên nguồn cung cấp PSRR, dải điện áp đầu ra, và công suất tiêu hao [4]. Hình 1. Sơ đồ khối của một op-amp 2 tầng với bộ đệm đầu ra[4]. Trên cơ sở đó trong phần sau, chúng ta xây dựng một bộ OPAMP hoàn chỉnh cho bài toán đặt ra thiết kế bộ OPAMP hai tầng với bộ đệm đầu ra dải tần 200 MHz trên công nghệ CMOS với các chỉ tiêu kỹ thuật như sau: 1) HSKĐ: 24 dB 2) Dải tần đầu vào: 100 - 200 MHz 3) Dải điện áp đầu vào: 450 ÷ 900 mV 4) Băng thông 3-dB: 100 MHz 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI OPAMP 2.1. Bộ Op-amp 2 tầng đơn giản[3][4] Sơ đồ nguyên lý mạch OPAMP hai tầng cơ bản như sau (hình 2): - Tầng khuếch đại vi sai dùng các transistor NMOS (M1,2), được thiên áp bởi tầng khuếch đại kiểu cực nguồn chung. - Tầng khuếch đại dùng PMOS mắc kiểu cực nguồn chung (M7) Ngoài ra, ở đây có thêm mạng các phần tử thụ động gồm tụ bù hiệu ứng Miller CC và điện trở zero-nulling Rz (mắc điện trở này vào sẽ kéo điểm “Zero” về gốc tọa độ cực). Hình 2. Mạch OPAMP hai tầng cơ bản [4]. 2.1.1. HSKĐ mạch hở OLDCA HSKĐ này được tính bằng tích HSKĐ của các tầng trong cấu trúc của nó theo công thức sau: Kỹ thuật điện tử Tr.V.Hải, N.V. Khôi, N.Tr. Duy, “Thiết kế bộ khuếch đại . trên công nghệ CMOS.” 82    1 2. . . .OLDC m on op m opA A A g r r g r   (1) Trong đó điện trở ra của tầng tải nguồn dòng M8 mắc cascode được giả thiết lớn hơn rất nhiều so với điện trở ra của bóng khuếch đại kiểu cực nguồn chung M7 là opr . Khi đó ứng dụng Bảng 9.2 trong [4] ta tính được 832 /OLDCA V V 2.1.2. Tính toán đáp ứng tần số mạch hở Để tính toán đáp ứng tần số mạch hở của OPAMP, ta thêm vào các tải điện dung. và tính toán các cực trị. Tham khảo bảng 9.2 trong [4], ta có các công thức:   1 2 1 2 1 4 2 7 2 8 111 333 150 / 150 / 13.6 1.56 on op op ocasn op m mn m mp dg gd gs L gd L R r r k R r R r k g g A V g g A V C C C C fF C C C C fF                        (2) Tính toán đáp ứng mạch hở với một tải và tụ bù có giá trị 100fF, tức là 100L CC C fF  . Điểm nút 1 được tính theo công thức (3): 1 2 1 2 1 287 2 . . . .m C f kHz g R R C   (3) Điểm cực nút 2 (nút đầu ra) tính theo công thức (4):   2 2 2 1 1 2 2 . 210 2 . . . . m C C g C f MHz C C C C C C     (4) Điểm zero được xác định theo công thức (5) dưới đây và có giá trị 240 MHz, rất gần điểm cực thứ hai. 2 240 2 . m Z C g f MHz C   (5) 2.1.3. Tính toán đáp ứng tần số của mạch kín Đáp ứng tần số mạch kín có thể được biểu diễn bằng cách sử dụng đáp ứng điểm cực chủ yếu (dominant-pole) (với ADC = AOLDC) theo công thức sau:   3 / 1 .OL OLDC dB f A f A j f        (6) Để tính băng thông của mạch OPAMP có phản hồi kín ở đây f >> f3dB, ta có:   3 3 . / OLDC OLDC dB un OL dB A A f f A f f f f f    (7) Từ công thức này ta có thể thấy tại sao tần số khuếch đại đơn vị 3.un OLDC dBf A f được gọi là độ rộng băng tần khuếch đại của sản phẩm GBP. Thấy rằng, cứ tần số tăng 10 (decade) so với f3dB thì AOL giảm đi 10 (-20dB). Băng thông mạch kín (gọi là f3dBCL) của mạch OPAMP không thể lớn hơn băng thông mạch hở của OPAMP f3dBOL (tức là f3dBCL f3dBOL). Do đó, để tính băng thông của một mạch opamp kín, ta coi tương đương 3.un OLDC dBCLf A f . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 83 2.2. Thực hiện các kỹ thuật thiết kế bù khử và ổn định *Loại bỏ điểm không Điểm không ở bên phải mặt phẳng tọa độ cực của hàm truyền có thể gây ra các nguy cơ mất ổn định và thời gian ổn định. Có thể thêm điện trở RZ để loại bỏ (khi RZ = 1/gm1) hoặc di chuyển điểm không về phía trái tọa độ cực (RZ > 1/gm1). Khi điểm không được di chuyển sang bên trái mặt phẳng tọa độ cực, đáp ứng pha của điểm không này được cộng vào tổng đáp ứng pha của toàn mạch làm tăng biên pha (kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật bù trước – lead compensation). Một giải pháp cho vấn đề này là thay thế điện trở bởi một MOSFET hoạt động trong vùng triode. Một bộ khuếch đại cực góp lặp lại sẽ cho phép phản hồi tín hiệu ra trở lại đầu vào qua tụ bù (do vậy mà hiệu ứng tách cực - pole splitting được thực thi). * Tỷ lệ triệt tín hiệu đồng thời (CMRR) HSKĐ đồng pha của mạch khuếch đại vi sai là CA . HSKĐ đồng pha của OPAMP là 2.CA A . Khi đó: 2 ( ) 20.log 20.log . OL d C C A f A CMRR A A A   (8) Công thức này nói lên rằng CMRR của OPAMP được xác định bởi tầng vi sai. Ta có thể xem AC như là HSKĐ mạch hở của OPAMP đối với các tín hiệu đồng pha. Nếu điện áp vi sai đưa vào bằng 0 và ta thay đổi điện áp đồng pha một lượng VC thì điện áp đầu ra sẽ thay đổi một lượng VO = AcmVC. Để bù cho lượng thay đổi điện áp ra này thì cần đưa vào một lượng điện áp vi sai trên đầu vào của OPAMP (là một điện áp offset được tính theo một hàm của giá trị điện áp đồng pha). Điện áp offset này có thể được tính theo công thức: .O C cm C OS OL OL V V A V V A A CMRR        (9) Với tần số thấp điện áp này có thể là cũng không phải vấn đề lớn. Tuy nhiên khi làm việc ở tần số cao, thì tham số CMRR sẽ bị kém đi (CMRR tăng lên), và điều này tương đương với việc hệ số Ac tăng lên dẫn tới hiện tượng méo và bắt buộc phải sử sụng các kiến trúc OPAMP có tham số điện áp đồng pha cố định. Tức là thêm một nguồn dòng để cố định. *Tỷ lệ triệt tiêu biến thiên nguồn cấp (PSRR- Power Supply Rejection Ratio) Phương pháp bù gián tiếp sử dụng được cho OPAMP có thể được thiết kế để có unf lớn hơn và do đó có tham số PSRR tốt hơn khi hoạt động ở tần số cao. Dùng tầng cực cổng chung tại đầu ra thậm chí có thể cho kết quả tham số PSRR cao hơn bằng cách thêm cách ly tụ bù khỏi nguồn cấp. *Phương pháp bù cho OPAMP Ta đã thực hiện tăng HSKĐ của tầng thứ nhất bằng cách tăng R1 (điện trở tại nút 1 bây giờ được xác định bởi các nguồn dòng mắc cascode), thì điểm cực thứ nhất được đẩy về miền tần số thấp hơn. Kỹ thuật điện tử Tr.V.Hải, N.V. Khôi, N.Tr. Duy, “Thiết kế bộ khuếch đại . trên công nghệ CMOS.” 84   2 10.( ). 31.6 / 10 on op mn mp r r A g g V V    (10) Khi đó việc f1 (=f3dB) bị giảm và việc tăng HSKĐ một chiều không có ảnh hưởng tới unf (GBP) của OPAMP. Tức là ta vẫn có thể thực hiện việc bù cho OPAMP với một tụ bù. Để cấp dòng bù gián tiếp này tới nút ta thực hiện nối tụ bù này với cực nguồn của M2T. 2.3. Thiết kế bộ OPAMP hoàn chỉnh có tầng đệm đầu ra Trong mục trước thì HSKĐ một chiều của OPAMP mạch hở được xác định bởi tích của HSKĐ tầng vi sai A1 và HSKĐ tầng cực cổng chung A2, tức là:    1 2 2 4 7. . . . 1000OLDC m o o m oA A A g r r g r   (11) Điện trở đầu ra đối với tín hiệu nhỏ, ro7 là 333k (từ bảng 9.2). Nếu ta kết nối đầu ra với một điện trở 10k thì AOLDC sẽ suy giảm xuống chỉ còn 33. Ta có thể thêm một tầng đệm ở đầu ra tầng thứ 2 để cách ly đầu ra này với điện trở tải (hoặc là tụ điện lớn). Ta có thể dùng bộ khuếch đại cực góp lặp lại hoặc một cấu trúc đẩy kéo cho tầng đệm đầu ra. Tuy nhiên, HSKĐ của tầng đẩy kéo lớn hơn 1, do đó nếu ta thêm mạch này vào mạch opamp cơ bản, ta sẽ có một mạch OPAMP 3 tầng (tức là cả 3 tầng đều có HSKĐ >1). Một mạch khuếch đại OPAMP 3 tầng thì gặp những khó khăn trong việc bù, hiệu chỉnh và bù nhiệt. Đồng thời một điện trở tải nhỏ cỡ kΩ sẽ vẫn làm suy giảm HSKĐ của tầng đẩy kéo. Để đảm bảo giữ nguyên HSKĐ, ta thiết kế HSKĐ tầng 1 lớn (tăng A1) trong khi dùng khuếch đại đẩy kéo cho tầng thứ hai. HSKĐ của tầng thứ hai có thể bị giảm vẫn đạt được HSKĐ tổng cộng ở giá trị mong muốn. HSKĐ của tầng khuếch đại thứ 2 theo (10) phụ thuộc vào điện trở tải và đạt -31.6 V/V, khi đó HSKĐ DC tổng của mạch là AOLDC = 15800 (=84 dB). Cuối cùng, dựa vào những phân tích trên, chúng tôi đề xuất bộ khuếch đại OPAMP với sơ đồ mạch thực thi được cho trong hình 3. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Sử dụng phần mềm LT-SPICE thực hiện mô phỏng để kiểm chứng các kết quả tính toán bên trên. Trên cơ sở đó hiệu chỉnh các tham số của các phần tử, cũng như bổ sung các chức năng cần thiết khác để giúp cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được. 3.1. Mô phỏng điểm làm việc DC Ở đây chúng ta sẽ đi mô phỏng phân tích điểm làm việc DC của mạch. Kết quả mô phỏng đạt được như cho trong Bảng 1 dưới đây. Xem xét các giá trị điện áp nguồn cung cấp, cũng như các giá trị điện áp thiên áp cho các transistors. Transistor M6T, M6B tạo ra nguồn dòng cho cặp vi sai đầu vào M1,2 với giá trị Id(M6B) = 101.18 μA. Ngoài ra, các điện áp một chiều đặt vào các cực của các transistor đều đảm bảo chúng hoạt động trong vùng bão hòa. Ví dụ, đối với M6T: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 85 VGS(M6T) = 543.66–62.51=481.15mV; VDS(M6T) = 76.08–62.51=13.57mV, thỏa mãn điều kiện: VGS > VTHn và VDS > VGS – VTHn. Tương tự như vậy ta kiểm tra lần lượt cho tất cả các transistor trong mạch. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý bộ KĐTT đề xuất. Bảng 1. Kết quả mô phỏng điểm làm việc DC. V(vin): 0.5 voltage V(vm): 0.5 voltage V(m8b#dbody): 1.35549e-012 voltage V(m8b#sbody): 1.58133e-013 voltage V(m6b#dbody): 6.22974e-013 voltage V(m6b#sbody): 1.31584e-013 voltage V(m6t#dbody): 1.23188e-012 voltage V(m6t#sbody): 1.12926e-012 voltage Id(M6b): 0.000101184 device_current Ig(M6b): 2.49396e-009 device_current Ib(M6b): -1.02937e-013 device_current Is(M6b): -0.000101187 device_current Id(M6t): 0.000101176 device_current Ig(M6t): 7.96183e-009 device_current Is(M6t): -0.000101184 device_current .. 3.2. Phân tích AC Hình 5 mô tả kết quả mô phỏng đặc tuyến biên độ tần số của bộ khuếch đại OPAMP. Kết quả này cho thấy HSKĐ của bộ khuếch đại OPAMP là 25dB. Hình vẽ cũng cho thấy băng tần hoạt động 3dB của bộ khuếch đại OPAMP là xấp xỉ 300MHz. Hệ số khuếch đại hoàn toàn có thể được tăng lên khi chúng ta ghép tầng nhiều mô-đun khuếch đại này lại với nhau. 3.3. Phân tích nhiễu Hình 5 cho thấy kết quả nhiễu gây ra bởi các phần tử riêng rẽ (gây ra bởi M6B, M6T, M8T, M8B, M5 – đây là các phần tử có kích thước lớn so với các phần tử khác trong mạch) và nhiễu tổng thể ở đầu ra. Ta có thể thấy rằng nhiễu lớn ở các tần số Kỹ thuật điện tử Tr.V.Hải, N.V. Khôi, N.Tr. Duy, “Thiết kế bộ khuếch đại . trên công nghệ CMOS.” 86 thấp vì về bản chất thì đây chính là tạp âm nhiệt. Tại dải tần công tác 100KHz÷200MHz, nhiễu tại đầu ra là khá phẳng, và bằng 3 /nV Hz . Hình 5. Đặc tuyến biên độ tần số của bộ KĐTT và đặc tính nhiễu. 3.4. Phân tích DC transfer Phân tích DC transfer chúng ta biết được hàm truyền DC tín hiệu nhỏ từ nguồn đầu vào cho đến đầu ra và trở kháng vào ra của mạch. Kết quả mô phỏng trong Bảng 2 cho thấy hàm truyền DC là rất nhỏ. Trở kháng đầu vào là rất lớn: Rin = 906149Ω, trong khi trở kháng đầu ra là tương đối nhỏ: Rout ≈ 511Ω. Bảng 2. Kết quả mô phỏng DC transfer. --- Transfer Function --- Transfer_function: 0.000510694 transfer vm#Input_impedance: 906149 impedance output_impedance_at_V(vout): 510.833 impedance 3.5. Thiết kế Layout Hình 6. Layout bộ KĐTT đề xuất. Sau khi thực hiện mô phỏng, bộ khuếch đại op-amp đề xuất được thực thi với công nghệ CMOS 0.35µm. Hình 6 mô tả layout của die. Có thể thấy kích thước của die tương đối nhỏ, xấp xỉ 0.033mm2. 4. KẾT LUẬN Nhóm tác giả đã giới thiệu những vấn đề cơ bản của bộ khuếch đại nói chung và sau đó tập trung vào thiết kế các bộ khuếch đại OPAMP dựa trên công nghệ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 87 CMOS đảm bảo các chỉ tiêu tham số kỹ thuật. Sau đó các kỹ thuật được bổ sung để đảm bảo được tính ổn định, độ tuyến tính để có thiết kế hoàn chỉnh. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ số khuếch đại với một tầng khuếch đại là 25dB. Ưu điểm của bộ khuếch đại OPAMP này là cho phép hoạt động ở tần số cao lên đến 300 MHz, với điện áp nguồn cung cấp thấp (1V) và công suất tiêu thụ thấp. Thiết kế đã được trình bày trong đề tài cấp Viện Điện tử và được nghiệm thu 6/2015. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. P.E. Allen, “CMOS Amplifiers”, Application note, AICDesign, 2006. [2]. J. Karki, “Understanding Operational Amplifier Specifications” White paper, Texas Instruments Incoporated, Apr. 1998. [3]. B. Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-Hill, 2001. [4]. R. Jacob Baker. “CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation” (3rd ed.). Wiley-IEEE Press, 2010. ABSTRACT DESIGN A RF OPAMP 200 MHz USING CMOS TECHNOLOGY CMOS technology has allowed increased frequency response as well as other characteristics. Amplifiers commonly used algorithms with low frequency. The article raises a design solution for the operational amplifier (OPAMP) to 200MHz frequency band using CMOS technology. The simulation results showed the larger bandwidth can enable applications for the RF transceiver. Keywords: CMOS technology, Operational Amplifier: Op-Amp, RF transceiver. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2 Viện Tên lửa; *Email: viethaivdt@gmail.com.