CHương 6 Kỹ thuật CMOS trong thiết kế mạch tích hợp tương tựs

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP SỐ-TƯƠNG TỰ GS: Chu Mạnh Hoàng
Khoa Vật liệu điện tử và Linh kiện
Truòng Vật Liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội
CHƯƠNG 6. KỸ THUẬT CMOS TRONG
THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ
6.1. Khuếch đại một tầng
6.2. Mạch phản chiếu dòng 6.3. Cặp vi sai
6.4. Mạch khuếch đại đa tầng
6.5. Mạch khuếch đại thuật toán 2
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS và PMOS
- Các đặc trưng bậc hai được mô tả bởi I trong phần transistor MOS cùng với các điện D
dung phụ thuộc điện áp được suy ra ở trên tạo thành mô hình tín hiệu lớn của MOSFET.
- Một mô hình tín hiệu lớn là thiết yếu trong việc phân tích các mạch mà tín hiệu làm nhiễu đáng kể
các điểm phân cực, đặc biệt nếu các hiệu ứng phi tuyến tính cần quan tâm.
- Nếu nhiễu loạn trong điều kiện phân cực là nhỏ, một mô hình "tín hiệu nhỏ", tức là một phép xấp xỉ của
mô hình tín hiệu lớn xung quanh điểm hoạt động, có thể được sử dụng để đơn giản hóa các phép tính.
Trong nhiều mạch tương tự, MOSFET bị phân cực trong vùng bão hòa, chúng ta suy ra mô hình tín
hiệu nhỏ tương ứng. Đối với các transistor hoạt động như các công tắc, một điện trở tuyến tính với
các điện dung của linh kiện đóng vai trò là một tín hiệu nhỏ tương đương.
- Mô hình tín hiệu nhỏ suy ra bằng cách tạo ra một gia số nhỏ trong một tham số phân cực và tính toán gia số
kết quả trong các tham số phân cực khác. Cụ thể, (1) áp dụng một số điện áp phân cực nhất định cho các cực
của transistor, (2) tăng hiệu điện thế giữa hai cực trong khi các điện áp cực khác giữ nguyên không đổi, và
(3) đo sự thay đổi kết quả trong tất cả các dòng điện cực. Nếu chúng ta thay đổi điện áp giữa hai cực một
lượng V và đo sự thay đổi dòng điện một lượng I trong một nhánh nào đó, chúng ta có thể mô hình hóa
hiệu ứng bằng một nguồn dòng phụ thuộc điện áp. 3
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS và PMOS (a) (b)
- Áp dụng một sự thay đổi cho điện áp cực G D G D
cổng-nguồn, V = V , trong đó V là một a GS GS VGS gmVGS VGS gmVGS VDS
đại lượng tín hiệu nhỏ. Do đó, dòng điện
cực máng thay đổi một lượng g V và m GS
được mô hình hóa bằng một nguồn dòng S S
phụ thuộc điện áp được nối giữa các cực (d)
máng và cực nguồn [Hình a]. Dòng điện (c) G D cực cổng rất nhỏ G D và sự thay đổi của nó V GS gmVGS r gmbVBS V O
không đáng kể, do đó không cần biểu diễn GS gmVGS rO
ở đây. Kết quả là mô hình tín hiệu nhỏ của S
một MOSFET lý tưởng—mô hình thiết kế V S BS mạch tương tự V
áp dụng cho hầu hết các B linh kiện trong mạch.
(a) Mô hình tín hiệu nhỏ MOS cơ bản; (b) điều biến độ dài kênh
được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ thuộc; (c) điều
biến độ dài kênh được biểu diễn bằng một điện trở; (d) hiệu ứng
đế được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ thuộc. 4
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS
- Do điều biến độ dài kênh, dòng điện máng (a) (b)
cũng thay đổi theo điện áp máng-nguồn. Hiệu G D G D ứng a
này có thể được mô hình hóa bằng một VGS gmVGS VGS gmVGS VDS
nguồn dòng phụ thuộc điện áp [Hình b],
nhưng một nguồn dòng có giá trị phụ thuộc S S
tuyến tính vào điện áp trên nó thì tương
đương với một điện trở tuyến tính [Hình c]. (d) (c)
Được nối giữa D và S, điện trở được cho bởi G D G D V GS gmVGS r gmbVBS V O GS gmVGS rO 𝑟 S 𝑜 = 𝜕𝑉𝐷𝑆 = 1 𝜕𝐼 V 𝐷 𝜕𝐼𝐷/𝜕𝑉𝐷𝑆 S BS VB 1 = 1 𝑊 2
2 𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥 𝐿 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 
(a) Mô hình tín hiệu nhỏ MOS cơ bản; (b) điều biến độ dài kênh
được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ thuộc; (c) điều
biến độ dài kênh được biểu diễn bằng một điện trở; (d) hiệu ứng
đế được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ thuộc. 5
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS (a) (b) ≈ 1+ 𝑉𝐷𝑆 G D G D 𝐼𝐷 V a GS gmVGS VGS gmVGS VDS ≈ 1 𝐼𝐷 S S Đk λV << 1. r ảnh hưởng đến DS O
hiệu suất của nhiều mạch tương tự. (d) (c)
Ví dụ, r giới hạn khuếch đại điện G D O G D
áp tối đa của hầu hết các bộ khuếch V GS gmVGS r gmbVBS V O GS gmVGS rO đại. S V S BS VB
Mô hình tín hiệu nhỏ MOS cơ bản; (b) điều biến độ dài
kênh được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ
thuộc; (c) điều biến độ dài kênh được biểu diễn bằng một
điện trở; (d) hiệu ứng đế được biểu diễn bằng một nguồn dòng điện phụ thuộc. 6
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS
- Điện thế đế ảnh hưởng đến điện áp ngưỡng và do đó là
điện áp quá ngưỡng cổng-nguồn.
- Với tất cả các cực khác được giữ ở điện áp không đổi,
dòng điện máng là một hàm của điện áp đế. Nghĩa là, đế (d)
hoạt động như một cổng thứ hai. Mô hình hóa sự phụ G D
thuộc này bằng một nguồn dòng được kết nối giữa D và S V GS gmVGS r gmbVBS
[Hình d]  xác định g V , g = ∂I /∂V . Trong vùng O mb bs mb D BS bão hòa, g
có thể được biểu thị dưới dạng mb 𝑔 𝑊 S 𝑚𝑏 = 𝜕𝐼𝐷 = 𝜇 𝑉 𝜕𝑉 𝑛𝐶𝑜𝑥 𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝐻 − 𝜕𝑉𝑇𝐻 V 𝐵𝑆 𝐿 𝜕𝑉𝐵𝑆 BS Chúng cũng ta có VB
𝜕𝑉𝑇𝐻 = − 𝜕𝑉𝑇𝐻 = − 𝛾 2 −1/2 Như vậy, 𝜕𝑉 𝐹 + 𝑉𝑆𝐵 𝐵𝑆 𝜕𝑉𝑆𝐵 2 𝑔𝑚𝑏 = 𝑔𝑚𝛾
(*); 𝑔𝑚𝑏 = 𝑔𝑚 2 2𝐹+ 𝑉𝑆𝐵 Việc tăng điện
- trong đó η = g /g (0,25). Đúng như dự đoán, gmb tỷ lệ thuận với γ. Phương áp cực cổng mb m
trình (*) cũng cho thấy hiệu ứng đế gia tăng trở nên ít rõ rệt hơn khi V tăng.
có tác dụng tương tự như SB
việc tăng điện thế đế. 7
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS
- Mô hình trong Hình d phù hợp với hầu hết các phân (a) (b)
tích tín hiệu nhỏ tần số thấp. Trên thực tế, mỗi cực
của MOSFET thể hiện một điện trở ohmic hữu hạn
do điện trở suất của vật liệu (và các tiếp điểm),
nhưng bố trí hợp lý có thể giảm thiểu các điện trở này. W W 2 Ví dụ:
Xét hai cấu trúc của Hình bên cùng với điện
trở phân bố cổng. Chúng ta lưu ý rằng việc
gấp điện cực cổng làm giảm điện trở cổng đi bốn lần. RG RG RG 2 2 8
Mô hình tín hiệu nhỏ của NMOS
- Mô hình tín hiệu nhỏ hoàn chỉnh cũng bao gồm điện
dung của linh kiện. Giá trị của mỗi điện dung được tính
toán theo các phương trình trong phần điện dụng của transistor MOS CGD G D CGS V GS gmVGS r g O mbVBS C S GB CDB C V SB BS B
Mô hình tín hiệu nhỏ MOS hoàn chỉnh 9
Mô hình tín hiệu nhỏ của PMOS
- Mô hình tín hiệu nhỏ cho các transistor PMOS tương tự như các transistor NMOS
- Xét cách sắp xếp được thể hiển trong Hình (a), trong đó (a) (b)
nguồn điện áp V thay đổi một lượng nhỏ và sự thay đổi 1
của I được đo lường (trong khi M1 vẫn ở trạng thái bão D VDD S
hòa). Khi V trở nên dương hơn  V trở nên âm hơn. 1 GS V1 M1
Vì transistor bán dẫn lúc này có độ quá tải lớn hơn, nó I trở D
mang dòng điện cao hơn, và do đó I nên âm hơn. I D D
theo hướng được thể hiển ở đây là âm vì dòng điện thực V1 D
tế của các lỗ trống từ nguồn đến máng. Do đó, V âm V GS D G
dẫn đến I âm. Ngược lại, V dương tạo ra I D GS D
dương, như trường hợp của NMOS.
(a) Thử nghiệm tín hiệu nhỏ của PMOS,
- Các PMOS với các cực nguồn ở trên và các cực máng ở
và (b) mô hình tín hiệu nhỏ.
dưới vì cực nguồn ở trên có điện áp dương hơn.
- Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch trên, giả sử không có điều biến độ dài kênh, được mô tả trong Hình
(b), mô hình cho thấy nguồn dòng phụ thuộc điện áp hướng lên trên, tạo ra ấn tượng (sai lầm) rằng hướng dòng
điện trong mô hình PMOS ngược với hướng dòng điện trong mô hình NMOS. 10
Mô hình tín hiệu nhỏ của PMOS
- Các mô hình tín hiệu nhỏ của transistor bán dẫn NMOS
và PMOS là giống hệt nhau. (a) (b)
- Giả định rằng, đế tất cả các NFET được kết nối với
nguồn cung cấp âm nhất (thường là đất) và đế của PFET VDD S
được kết nối với nguồn cung cấp dương nhất (thường là V1 V ). M1 DD ID V1 D VD G
(a) Thử nghiệm tín hiệu nhỏ của thiết bị
PMOS, và (b) mô hình tín hiệu nhỏ. 11
6.1. Khuếch đại một tầng 12
6.1. Khuếch đại một tầng
Một bộ khuếch đại lý tưởng (a) (b)
đầu ra, y(t), là bản sao tuyến tính y y của đầu vào, x(t): 𝑦 𝑡 = 𝛼1𝑥(𝑡)
α biểu thị hệ số khuếch đại. 1 a1
Vì tín hiệu đầu ra thực tế được chồng a0
lên một điểm phân cực (điểm hoạt
động DC), α , nên ta có thể viết tổng 0 x x1 x2 x đầu ra dưới dạng
Đặc trưng đầu vào-đầu ra của hệ thống (a) tuyến tính và (b) phi y(t) = α + α x(t) tuyến tính 0 1
Trong trường hợp này, đặc trưng đầu vào-đầu ra (tín hiệu
lớn) của mạch là một đường thẳng [Hình (a)]. 13
6.1. Khuếch đại một tầng
Tuy nhiên, khi độ dao động tín hiệu trở (a) (b)
nên lớn hơn và điểm phân cực của (các) y y
transistor bị nhiễu loạn đáng kể, độ
khuếch đại (độ dốc của đặc trưng) bắt
đầu thay đổi [Hình (b)]. Chúng ta xấp
xỉ đặc trưng phi tuyến tính này bằng a1 một đa thức: a0 𝑦 𝑡
= 𝛼0 + 𝛼1𝑥 𝑡 + 𝛼2𝑥2 𝑡 + ∙∙ x x1 x2 x
Đặc trưng đầu vào-đầu ra của hệ thống (a) tuyến tính và (b) phi tuyến tính
Bộ khuếch đại phi tuyến tính làm méo tín
hiệu mong muốn hoặc tạo ra các tương tác
không mong muốn giữa nhiều tín hiệu có
thể cùng tồn tại ở đầu vào. 14
6.1. Khuếch đại một tầng
- Những khía cạnh nào của hoạt động bộ khuếch đại là quan trọng? Ngoài độ khuếch đại và
tốc độ, các thông số như công suất phân tán, điện áp cung cấp, độ tuyến tính, nhiễu hoặc dao
động điện áp tối đa cũng có thể quan trọng.
- Trở kháng đầu vào và đầu ra quyết định cách mạch tương tác với các tầng trước và sau.
- Trên thực tế, hầu hết các thông số này có sự trao đổi lẫn nhau, khiến thiết kế trở thành
một bài toán tối ưu hóa đa chiều. 15
6.1. Khuếch đại một tầng
Được minh họa trong "hình bát giác thiết kế Nhiễu Tuyến tính
tương tự" của Hình vẽ, những sự đánh đổi như
vậy đặt ra nhiều thách thức trong việc thiết kế
bộ khuếch đại hiệu suất cao, đòi hỏi trực giác Phân tán Khuếch đại
và kinh nghiệm để đi đến một sự thỏa hiệp công suất chấp nhận được. Trở kháng Điện áp vào/ra cung cấp Dao động Tốc độ điện áp
Bát giác thiết kế tương tự. 16
6.1. Khuếch đại một tầng
Bảng cung cấp cái nhìn tổng quan về các
cấu trúc bộ khuếch đại, cho thấy tầng nguồn
chung (CS) được sử dụng rộng rãi hơn
nhiều so với các cấu hình mạch khác. Đối
với các bộ khuếch đại này, chúng ta phải (1)
thiết lập các điều kiện phân cực thích hợp để
mỗi transistor cung cấp độ dẫn điện truyền
và điện trở đầu ra cần thiết với một số dòng
điện và điện áp tĩnh nhất định, và (2) phân
tích hoạt động của mạch khi tín hiệu đầu
vào và đầu ra gây ra độ lệch nhỏ hoặc lớn so
với đầu vào phân cực (tương ứng là phân
tích tín hiệu nhỏ và tín hiệu lớn). 17
6.1. Khuếch đại một tầng
- Khuếch đại là một chức năng thiết yếu trong hầu hết các mạch tương tự (và nhiều mạch số). Chúng ta
khuếch đại tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số vì nó có thể quá nhỏ để điều khiển tải, khắc phục nhiễu của
tầng tiếp theo hoặc cung cấp mức logic cho mạch số. Khuếch đại cũng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống phản hồi.
- Chúng ta nghiên cứu đáp ứng tần số thấp của bộ khuếch đại CMOS một tầng. Phân tích cả đặc tính tín hiệu
lớn và tín hiệu nhỏ của từng mạch, chúng ta phát triển các kỹ thuật và mô hình trực quan hữu ích trong việc
hiểu các hệ thống phức tạp hơn. Một phần quan trọng trong công việc của nhà thiết kế là sử dụng các phép xấp
xỉ phù hợp để tạo ra một hình ảnh đơn giản về một mạch phức tạp.
- Trình bày bốn loại bộ khuếch đại: cấu trúc liên kết nguồn chung và cổng chung, mạch theo nguồn (source
follower) và cấu hình mạch khuếch đại ghép tầng cascode. Trong mỗi trường hợp, bài học sẽ bắt đầu với một
mô hình đơn giản và dần dần thêm các hiện tượng bậc hai như điều biến độ dài kênh và hiệu ứng đế. 18
6.1. Khuếch đại một tầng
A. Khuếch đại nguồn chung (a) (b) Vout
A.1. Khuếch đại nguồn chung với tải điện trở V V DD TH RD V M DD 1
- Nhờ tính chất độ dẫn truyền, MOSFET chuyển đổi
sự thay đổi điện áp cực cổng-cực nguồn thành dòng Vout A điện cực V
máng tín hiệu nhỏ, có thể đi qua điện trở để in M1
tạo ra điện áp đầu ra. Như thể hiện trong Hình a, tầng nguồn V
chung thực hiện hoạt động như vậy. TH Vin1 Vin
Chúng ta nghiên cứu cả đặc trưng hoạt động tín hiệu (c) (d) VDD lớn Vout
và tín hiệu nhỏ của mạch. Lưu ý rằng trở kháng đầu R
vào của mạch rất cao ở tần số thấp. D V V in 1 gmV1 RD Vout Vin Ron M1
(a) Tầng nguồn chung, (b) đặc tính đầu vào-đầu ra, (c)
mạch tương đương trong vùng triode sâu, và (d) mô hình
tín hiệu nhỏ cho vùng bão hòa. 19
6.1. Khuếch đại một tầng
Nếu điện áp đầu vào tăng từ 0, M sẽ tắt và V = V 1 out DD (a) (b)
[Hình (b)]. Khi V tiến đến V , M1 bắt đầu bật, lấy V V out VTH in TH DD
dòng điện từ R và giảm V . Transistor M1 bật ở trạng D out RD V M DD 1
thái bão hòa bất kể giá trị của V và R , và chúng ta có DD D 1 𝑊 Vout A 𝑉 2 V
𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑅𝐷 𝜇 𝑉 in M 2 𝑛𝐶𝑜𝑥 𝐿 𝑖𝑛 − 𝑉𝑇𝐻 1
trong đó điều biến độ dài kênh bị bỏ qua. Khi V tiếp tục in VTH Vin1 Vin
tăng, V giảm nhiều hơn nữa và transistor tiếp tục hoạt out (c) (d)
động ở trạng thái bão hòa cho đến khi V vượt quá V VDD V in out out bởi V
[điểm A trong Hình (b)]. Tại thời điểm này, TH RD V V in 1 gmV1 R 𝑉 1 𝑊 2 D
𝑖𝑛1 − 𝑉𝑇𝐻 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑅𝐷 𝜇 𝑉 V 2 𝑛𝐶𝑜𝑥 𝐿 𝑖𝑛1 − 𝑉𝑇𝐻 out Vin Ron M từ đây 1 có thể tính được V − V và do đó V . in1 TH out
(a) Tầng nguồn chung, (b) đặc tính đầu vào-đầu ra, (c) mạch
Với V > V , M1 nằm trong vùng triode: in in1
tương đương trong vùng triode sâu, và (d) mô hình tín hiệu 1 𝑊 2 nhỏ cho vùng bão hòa.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑅𝐷 𝜇 2 𝑉 2 𝑛𝐶𝑜𝑥 𝐿
𝑖𝑛 − 𝑉𝑇𝐻 𝑉𝑜𝑢𝑡 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 20