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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ khuếch đại thuật toán RF dải tần 200 MHz trên công nghệ CMOS Kỹ thuật điện tử 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 80 Tr.V.Hải, N.V. Khôi, N.Tr. Duy, “Thiết kế bộ khuếch đại …. trên công nghệ CMOS.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 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 AOLDC HSKĐ này được tính bằng tích HSKĐ của các tầng trong cấu trúc của nó theo công thức sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 81  Kỹ thuật điện tử AOLDC  A1. A2   g m .ron  rop . g m .rop  (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 rop . Khi đó ứng dụng Bảng 9.2 trong [4] ta tính được AOLDC  832V / 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: R1  ron  rop  111k  R2  rop  Rocasn  rop  333k  g m1  g mn  150 A / V (2) g m 2  g mp  150  A / V C1  Cdg 4  C gd 2  C gs 7  13.6 fF C2  CL  C gd 8  CL  1.56 fF  Tính toán đáp ứng mạch hở với một tải và tụ bù có giá trị 100fF, tức là CL  CC  100 fF . Điểm nút 1 được tính theo công thức (3): 1 f1   287 kHz (3) 2 .g m 2 .R1.R2 .CC Điểm cực nút 2 (nút đầu ra) tính theo công thức (4): g m 2 .C2 f2   210 MHz (4) 2 .CC .C1  C1.C2  CC .C2  Điểm zero được xác định theo công thức ...