thiết kế mạch charge-pump

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH






PHAN ĐÌNH DUY
LÊ TRƯỜNG SA





THIẾT KẾ MẠCH CHARGE PUMP








BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
Ngành: Kỹ Thuật Máy Tính
Lớp: KTMT01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :
Kỹ sư Nguyễn Văn Kiên








Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010

1

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực tập tại Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế vi mạch
ICDREC - Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi nhận thấy đây là một
trung tâm nghiên cứu và phát triển các chương trình theo hướng thiết kế vi mạch và
các hệ thống nhúng rất thành công ở nước ta. Trung tâm đã nghiên cứu các sản phẩm
có ứng dụng rất lớn vào đời sống và kỹ thuật như các con chip Sigma K3, VN8-01,
TH7150…
Trong thời gian thực tập, chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ rất nhiều
của các cán bộ của Trung tâm. Xin cảm ơn anh Hồ Quang Tây- Trưởng nhóm Analog
đã hỗ trợ rất nhiều trong việc liên lạc và giới thiệu vào nhóm cũng như đã hỗ trợ rất
nhiều về mặt kiến thức phục vụ cho việc thực tập ở trung tâm. Xin chân thành cảm ơn
anh Nguyễn Văn Kiên – kỹ sư trong nhóm Analog đã trực tiếp hỗ trợ và hướng dẫn

trong quá trình thực tập của chúng tôi. Chúng tôi cũng xin cảm ơn tất cả các anh trong
nhóm Analog của trung tâm đã hỗ trợ cho chúng tôi hoàn thành việc thực tập ở trung
tâm thiết kế vi mạch.
Tuy nhiên,do đây là lần đầu tiếp xúc với công việc thực tế nên chúng tôi không
tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình tìm hiểu, trình bày và đánh giá về công việc
tại trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch nên rất mong được sự đóng góp
của các thầy cô.
Lê Trường Sa
Phan Đình Duy

2

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC TẬP CỦA KHOA

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC TẬP CỦA KHOA 2
MỤC LỤC 3
PHẦN 1: GIỚI THIỆU CƠ QUAN THỰC TẬP 4
1.1. TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ ĐÀO TẠO THIẾT KẾ VI MẠCH 4
1.2. MỤC TIÊU CỦA CƠ QUAN 4
PHẦN 2: QUÁ TRÌNH THỰC TẬP 5
2.1. NỘI DUNG THỰC TẬP 5
2.2. LỊCH LÀM VIỆC TẠI CƠ QUAN THỰC TẬP 5
PHẦN 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 7
3.1. KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 7
3.1.1. Công nghệ CMOS 7

3.1.2. Lý thuyết mạch Charge-pump 12
3.2. KỸ NĂNG THỰC HÀNH 16
3.2.1. Thiết kế mạch nguyên lý 16
3.2.2. Mô phỏng thiết kế 17
3.2.3. Layout 19
3.2.4. Design rule check 20
3.2.5. Layout verus schematic 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO 21


4

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CƠ QUAN THỰC TẬP

1.1. TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ ĐÀO TẠO THIẾT KẾ VI MẠCH
Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế Vi mạch (tên tiếng Anh là
Integrated Circuit Design Reseach & Education Center, viết tắt là ICDREC) trực
thuộc Khu Công Nghệ Phần Mềm - Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh (VNU-ITP)
được thành lập theo quyết định số 605/ĐHQG-HCM/KHCN của Đại học Quốc gia Tp.
Hồ Chí Minh ngày 05.08.2005.
1.2. MỤC TIÊU CỦA CƠ QUAN
Hình thành một trung tâm vi mạch hàng đầu tại Việt Nam trong các lĩnh vực đào
tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ.
• Về lĩnh vực đào tạo:
Là địa chỉ có uy tín, đáng tin cậy trong việc đào tạo và cung cấp nguồn nhân lực
cho ngành công nghệ vi mạch.
• Về lĩnh vực nghiên cứu:
Hình thành nhóm nghiên cứu thiết kế vi mạch trên cả hai lĩnh vực digital và
analog, cả về front-end và back-end, có những công trình nghiên cứu và bài báo xứng
tầm với khu vực

• Về chuyển giao công nghệ:
o Thực hiện các hợp đồng outsourcing với các công ty trong và ngoài
nước.
o Thực hiện các hợp đồng chuyển giao công nghệ (cụ thể là các IP) cho
các công ty trong và ngoài nước.

5

PHẦN 2: QUÁ TRÌNH THỰC TẬP

2.1. NỘI DUNG THỰC TẬP
• Tìm hiểu lý thuyết công nghệ thiết kế vi mạch CMOS VLSI.
• Tìm hiểu lý thuyết và chức năng của vi mạch tăng áp Charge-pump
• Vận dụng lý thuyết và thực hành thiết kế vi mạch charge-pump 5 tầng trên
phần mềm chuyên dụng của Synopsys. (Bao gồm các bước Thiết kế, layout,
DRC, LVS)
• Viết bài báo cáo thực tập đầy đủ các bước trên.
2.2. LỊCH LÀM VIỆC TẠI CƠ QUAN THỰC TẬP
Theo phân công của trung tâm ICDREC, lịch thực tập được xếp mỗi tuần 3 buổi
trong thời gian 2 tháng tại trung tâm. Sau đây là lịch phân công cụ thể công việc trong
các tuần:
Tuần Thời gian Công việc được phân công
1

03/05 – 07/05
Làm quen với công việc ở trung tâm, nhận phân công
công việc và nhận các tài liệu từ trung tâm.
2

10/05 – 14/05

- Nghiên cứu các tài liệu nhận từ trung tâm
- Tìm các tài liệu có liên quan
17/05 – 21/05
- Thực hiện báo cáo các lý thuyết đã tìm hiểu về đề
tài.
- Làm quen sử dụng phần mềm thiết kế vi mạch
Cdesign của Synopsys
3
21/5 Báo cáo kết quả làm việc 3 tuần đầu
4 24/05 – 28/05
- Hoàn thiện các lý thuyết các công thức tính toán
- Thực hiện phát thảo sơ đồ nguyên lý của mạch trên
phần mềm của Synopsys
31/05-04/06
- Vẽ sơ đồ Schematic trên phần mềm
- Thực hiện mô phỏng các chức năng yêu cầu
5
04/06 Báo cáo kết quả công việc thiết kế sơ đồ nguyên lý

6

6 07/06 – 11/06
- Thực hiện xong mô phỏng thiết kế
- Tiến hành vẽ layout cho mạch
14/06 – 18/06
- Hoàn thiện layout mạch
- Extract các ký sinh và tiến hành mô phỏng chip
7
18/06 Báo cáo kết quả layout và mô phỏng
21/06 – 25/06

- Hoàn thiện các nguồn và các thành phần cuối cùng
của chip
- Viết báo cáo kết quả công việc cho trung tâm
8
25/06 Báo cáo Final Project


7

PHẦN 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1. KIẾN THỨC LÝ THUYẾT
3.1.1. Công nghệ CMOS

3.1.1.1. Giới thiệu về công nghệ CMOS
CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" trong
tiếng Anh, là thuật ngữ chỉ một lọai công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp. Công
nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các mạch
logic số khác. Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự
như cảm biến hình ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ
tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin.
Trong tên gọi của vi mạch này, thuật ngữ tiếng Anh "complementary" ("bù"),
ám chỉ việc thiết kế các hàm lôgíc trong các vi mạch CMOS sử dụng cả hai loại
transistor PMOS và NMOS và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor nằm ở trạng
thái đóng (ON).

Hình 1: Cổng inverter theo kiểu CMOS

Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS là có
độ miễn nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp. Các vi mạch

CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể khi các transistor bên trong nó
chuyển đổi giữa các trạng thái đóng (ON) và mở (OFF). Kết quả là các thiết bị CMOS
ít tiêu thụ năng lượng và tạo ra ít nhiệt hơn so với các loại mạch lôgíc khác như mạch
transistor-transistor logic (TTL) hay mạch logic NMOS (khác với CMOS, NMOS chỉ

8

dùng tòan bộ transistor hiệu ứng trường kiểu n và không dùng transistor hiệu ứng
trường kiểu p). CMOS cũng cho phép tích hợp các hàm lôgíc với mật độ cao trên chíp.
Cụm từ "metal-oxide-semiconductor" bắt nguồn từ một qui trình chế tạo các vi mạch
tích hợp CMOS trước đây. Qui trình này tạo ra các transistor hiệu ứng trường mà mỗi
transistor có một điện cực cổng bằng kim loại được đặt lên trên một lớp cách điện bằng oxide
phủ trên vật liệu bán dẫn. Ngày nay, thay vì dùng kim loại, người ta tạo ra điện cực cổng bằng
một vật liệu khác, đó là polysilicon. Tuy nhiên vẫn giữ tên gọi là CMOS.

3.1.1.2. Chi tiết kỹ thuật
Mạch logic CMOS dùng một tổ hợp hai lọai transistor hiệu ứng trường kim
loại-oxide-bán dẫn (MOSFET) kiểu p và kiểu n để thực hiện các cổng logic và các
mạch số khác mà chúng ta thấy trong máy vi tính, thiết bị viễn thông và xử lý tín hiệu.
Mặc dầu mạch logic CMOS cũng có thể được thực hiện bằng linh kiện rời (chẳng hạn,
những mạch rời mà bạn học trong môn mạch điện tử cơ bản), thông thường sản phẩm
CMOS thương mại điển hình là vi mạch tích hợp bao gồm hàng triệu (hay hàng trăm
triệu) transistor của cả hai kiểu được chế tạo trên một miếng silicon hình chữ nhật có
diện tích trong khỏang 0,1 đến 4 cm vuông. Những miếng silicon như vậy thường
được gọi là chip, mặc dầu trong công nghiệp người ta cũng gọi nó là die, có lẽ bời vì
chúng được tạo ra từ việc cắt nhỏ (dicing) miếng bánh silicon hình tròn là đơn vị cơ
bản của sự sản xuất dụng cụ bán dẫn.

Hình 2: Mô hình kéo lên và kéo xuoogns của CMOS

9

Trong cổng logic CMOS, một số MOSFET kiểu n được sắp thành dạng mạch
kéo xuống nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấp nguồn điện áp thấp (thường
được ký hiệu là V
ss
). Thay vì dùng tải là điện trở như trong các cổng logic NMOS,
cổng logic CMOS lại dùng tải là một số MOSFET kiểu p sắp thành dạng mạch kéo lên
nằm giữa đầu ra của cổng với đường cung cấp nguồn điện áp cao (thường được ký
hiệu là V
dd
). Mạch kéo lên, gồm các transistor kiểu p, mang tính bổ túc ("bù") cho
mạch kéo xuống, gồm các transistor kiểu n, sao cho khi các transistor kiểu n tắt thì các
transistor kiểu p sẽ dẫn và ngược lại.
3.1.1.3. MOSFET
Cấu trúc vật lý và ký hiệu của 2 loại MOS kiểu n và kiểu p cùng với ký hiệu
của nó được thể hiện ở hình bên dưới.

Hình 3: (a) Transitor NMOS (b) Transistor PMOS


MOSFET được thể hiện ở hình dưới đây là MOSFET kiểu n, ở đây electron có
thể đi từ cực nguồn qua cực máng thông qua kênh ở dưới lớp oxide của cực cổng
(gate). Cả hai loại MOSFET kiểu n và kiểu p thì có cấu trúc tương tự nhau.

10


Hình 4: Cấu trúc vật lý của NMOS

Để hiểu được sự vận hành của MOSFET như thế nào, ta bắt đầu với mô hình
được thể hiện ở hình 5. Chúng ta sẽ tìm hiểu 3 vùng hoạt động của MOSFET.
Vùng ngưng (cut-off): Khi cực nguồn và thân của NMOS được nối đất, tức là
V
B
= 0, V
S
= 0. Ta đặt một điện áp dương nhỏ lên cực máng V
DS
> 0 hay V
D
> 0. Giả
sử ta đặt một điện áp lên cực cổng nhỏ hơn điện thế ngưỡng của NMOS (V
G
< V
t
).
Tạo thành một vùng suy biến hay nghèo hạt mang điện được hình thành tại bên dưới
lớp oxide của cổng. Lúc này ở nguồn và máng có các hạt electron tự do và ở thân chỉ
có các lỗ tróng nhưng các vùng tiếp giáp giữa thân và nguồn hoặc máng được phân
cực nghịch nên không có dòng điện nào chạy qua. Ta gọi trạng thái này là vùng ngưng
(cut-off).

Hình 5: Mô hình khảo sát đặc tính NMOS

Vùng tuyến tính (linear): Khi điện thế trên cực cổng tăng đến khi vượt quá
điện áp ngưỡng V
t
, điều này làm thu hút các hạt electron đến phía dưới lớp oxide của

cực cổng tạo thành lớp nghịch chuyển. Lớp nghịch chuyển được gọi là kênh sẽ nối
nguồn và máng, tạo ra đường dẫn điện. Số hạt mang điện và độ dẫn điện tăng theo

11

điện áp cổng. Lúc này, vì ta đặt một điện áp dương nhỏ trên cực máng nên có dòng I
DS

chạy quang qua kên từ máng về nguồn. Chế độ này gọi là vùng tuyến tính (linear), có
tính điện trở và không bão hòa, dòng ddeienj tăng theo điện áp máng lẫn điện áp cổng.
Vùng bão hòa (saturation): Khi điện áp V
DS
trở nên đủ lớn V
DS
≥ V
GS
– V
t
,
kênh không còn bị nghịch chuyển ở máng nữa và trở thành bị thắt (pinched-off). Tuy
nhiên sự dẫn điện vẫn được tạo ra bở sự trôi electron dưới ảnh hưởng của ddeienj áp
máng dương. Khi hạt electron đến đầu cuối của kênh, electron bị chuyển vào trong
miền nghèo hạt mang điện gần máng và được gia tốc hướng đến máng. Ở trên điện áp
máng này, dòng điện I
DS
chỉ bị điều khiển bởi điện áp cổng và không còn bị ảnh hưởng
bởi máng. Chế độ này gọi là vùng bão hòa (saturation).
Tóm lại, NMOS có 3 vùng hoạt động với các công thức như sau:










−
−−=
2
)(
2
)
2
(
0
tGS
DS
DS
tGSDS
VV
V
V
VVI
β
β

trong đó
L
W

C
ox
µβ
=

Transistor PMOS hoạt động theo cách ngược lại. Thân loại n được nối với điện áp cao
nên các tiếp giáp với nguồn và máng loại p bình thường được phân cực nghịch. Khi cực cổng
có điện áp cao thì không có dòng điện nào giữa máng và nguồn. Khi điện áp cức cổng giảm
xuống khoảng điện áp ngưỡng V
t
thì lỗ bị thu hút để hình thành kênh loại p ngay bên dưới
cổng, cho phép dòng điện chạy giữa máng đến nguồn.

V
GS
< V
t
, cut-off
V
DS
< V
GS
- V
t
, linear
V
DS
> V
GS
– V

t
, saturation

12

3.1.2. Lý thuyết mạch Charge-pump

3.1.2.1. Lịch sử phát triển
Yêu cầu tạo ra các nguồn có điện áp lớn từ các nguồn điện áp nhỏ để cung cấp
cho một số mạch điện là một yêu cầu đã nảy sinh từ khi ngành điện tử. Năm 1931 nhà
vật lý học – hóa học người Anh – Micale Faraday đã phát minh ra “induction ring” để
tạo ra một điện áp lớn từ một nguồn điện áp nhỏ hiện có bằng cách dùng biến áp. Đây
là một cách chuyển đổi điện áp từ AC sang điện áp AC lớn hơn điện áp ban đầu. Trong
điều kiện lý tưởng thì công suất phân phát ở đầu ra sẽ bằng với công suất tiêu thụ đầu
vào, nếu điện áp tăng thì dòng sẽ giảm xuống và ngược lại. Hình 1 mô tả một bộ biến
áp. Điện áp vào sẽ được nối vào cuộn dây ở “primary” , cuộn dây này sẽ tạo ra một từ
trường tác động vào cuộn dây thứ 2 trên cùng một lõi thép làm trường điện từ. Cuộn
dây thứ 2 trên “secondary” sẽ tạo ra một điện áp kết nối tới đầu ra theo công thức:
V
1
/V
2
= N
2
/N
1
.( N là số vòng trên mỗi cuộn dây).

Hình 6: Bộ biến áp AC – AC đơn giản

Vào năm 1919, nhà khoa học người Thụy Điển Heinrich Greinacher đã đưa ra
mô hình làm tăng điện áp lên 2 lần bằng cách kết nối diode nối tiếp với tụ điện. Sau đó
kỹ thuật này được hai nhà khoa học Cockcroft và Walton đã phát triển nhằm làm tăng
điện áp từ một nguồn có điện áp thấp chỉ dùng diode và tụ điện. Hai ông đã tạo ra điện
áp 800.000V để dùng trong các máy gia tốc hạt. Đây là một bộ nhân áp DC-DC theo
mô hình Cockcroft-Walton. Mạch hoạt động như sau: 3 tụ điện C
A
, C
B
, C
C
mỗi tụ điện
có điện dung là C được nối nối tiếp với nhau và 2 tụ điện C
1
, C
2
cũng có điện dung C
và tụ điện C
1
được nối với nguồn điện thế V
DD
. Trong pha thứ nhất tụ điện C
1
được nối
với C
A
và nạp vào C
A
điện thế V
DD

. Trong chu kỳ tiếp theo C
1
sẽ chia sẻ điện áp với
C
B
và cả hai sẽ có điện áp là V
DD
/2 vì 2 tụ điện có điện dung như nhau. Trong chu kỳ
tiếp theo tụ C
2
sẽ chia sẻ điện áp với C
B
và khi đó 2 tụ sẽ có điện áp là V
DD
/4, khi đó

13

C
1
đã nạp lại điện thế V
DD
từ C
A
, và C
2
lại chia sẻ điện với C
C
. Tiếp tục qua một vài
chu kỳ thì điện thế ở V

out
sẽ là 3V
DD
.

Điện áp ra V
out
sẽ được tính theo công thức:
V
out
= 2nV
peak
– V
load


Hình 7: Mô hình mạch nhân áp

Tuy nhiên mô hình này rất khó để có thể sử dụng trong các mạch điện nhỏ và
càng khó hơn để tích hợp trong một chip. Vì kích thước giới hạn của vi mạch tích hợp
rất nhỏ nên các switch và tụ điện lớn khó có có thể tích hợp vào và phương pháp này
sau đó được John F. Diskson phát triển và tích hợp trong các vi mạch hiện đại ngày
nay bằng sơ đồ nguyên lý sau:

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp Diskson

Hoạt động của mạch này cũng tương tự như mạch nhân áp của Cockcroft-
Walton, tuy nhiên các nút trong trong mắc xích là các diode sẽ được nối đi đôi với các
tụ điện song song với nhau thay vì nối tiếp, nhờ vậy các tụ điện sẽ chịu được điện áp
cao ở các nút trong mắt xích. Nhờ vậy mà kích thước tụ điện sẽ nhỏ hơn và có thể tích

hợp trong các mạch tích hợp.

14

3.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Gần đây mạch nhân áp (charge pump) được sử dụng rộng rãi trong các chip như
EPROM, EFPROM, bộ nhớ Flash, các thiết kế PLL, … Chúng tạo ra các nguồn điện
thế cao hơn điện thế hiện có để cung cấp cho các chip này hoạt động. Ví dụ EPROM
sử dụng điện thế có điện áp cao (khoảng 12V) để lập trình và xóa các phần tử nhớ khả
trình trên EPROM.
Chúng ta sẽ xem xét một mạch charge pump MOSFET hoạt động như thế nào.
Trước tiên chúng ta lướt qua một mạch nhân áp đơn giản gồm 2 chuyển mạch và 1 tụ
điện.

Hình 9: Mạch nhân đôi điện áp đơn giản

Trong chu kỳ clock φ các chuyển mạch S
1
và S
3
đóng và tụ điện sẽ được nạp
vào điện thế V
DD
. Ở chu kỳ tiếp theo φ
b
, các chuyển mạch S
1
và S
3
mở chuyển mạch

S
2
đóng, khi đó phần tụ điện đã tích một điện lượng: Q = CV
DD
từ chu kỳ trước đó.
Nghĩa là trong chu kỳ φ
b
thì:
DDDDout
VCVVCQ
⋅
=
−
⋅
=
)(

DDout
VV
.2
=

Từ cách hoạt động của mạch nhân đôi điện áp chúng ta đi đến khảo sát mạch
charge pump MOSFET sau:

15


Hình 10: Mạch charge pump Diskson NMOS

Hình trên minh họa một mạch Dickson charge pump và waveform nhân áp n-
stage. Với φ và φ
b
là 2 pha đảo ngược của tín hiệu clock với điện thế V
φ
và các tụ điện
được nối đi đôi với các nút trong chuỗi là các NMOS được mắc theo kiểu diode (cực
máng với cực cổng được mắc chung với nhau). Theo hình trên ta thấy sự chênh lệch
điện áp giữa tầng thứ (n+1) và tầng thứ n được tính theo công thức:
Dnn
VVVVV
−
′
=
−
=
∆
+
ϕ
1

trong đó:
ϕϕ
V
CC
C
V
S









+
=
′

Khi clock φ thấp và φ
b
cao, MOSFET T
0
dẫn trong khi T
1
tắt. Khi T
0
dẫn thì
điện thế tại nút 1 là V
DD
– V
D
. Chu kỳ tiếp theo khi clock φ cao và φ
b
thấp thì điện áp
tại nút 1 trở thành:
)(
1 DDD
VVVV −

′
+=
ϕ

Trong suốt chu kỳ φ
b
thấp, thì MOSFET T
1
sẽ dẫn và khi đó điện áp tại nút 2 sẽ
thay đổi thành:
DDDD
VVVVV
−
−
′
+
=
)(
2
ϕ

Khi chu kỳ tiếp theo clock φ thấp và φ
b
cao điện áp tại nút 2 trở thành:
)(2
2 DDD
VVVV −
′
+=
′

ϕ

Từ đây ta có thể suy ra đối với mạch n tầng với n nút sẽ có:
)(
DDDn
VVnVV
−
′
+
=
′
ϕ


16

MOSFET T
n+1
sẽ dẫn để tạo ra điện áp đầu ra cuối cùng là:
DDDDout
VVVVV −−
′
+= )(
ϕ


DD
S
DDout
VVV

CC
C
NVV −






−








+
+=
ϕ

Dòng điện tại đầu ra ứng với clock có tần số f là:
LSout
VCCfI
)(
+
=
với V
L

là điện áp ở R
L
.
3.2. KỸ NĂNG THỰC HÀNH
3.2.1. Thiết kế mạch nguyên lý
Từ nguyên lý và cách hoạt động của các mạch charge-pump nói trên, ta tiến
hành thiết kế một mạch charge-pump với các thông số kỹ thuật như bảng sau:

Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp ra 10 V
Điện dung tải 20 pF
Thời gian ramp-up 20 us
Nguồn cung cấp 2.5 V
Tần số dao động 10 MHz
Dòng tải 20 uA

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý 1 tầng của mạch charge-pump được thiết kế với các
thông số M0,1= 0.4um/0.28u; M2,3= 1u/0.28u; C1,2= 1pF:

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý mạch charge-pump 1 tầng


17

Ta giả sử rằng I
out
= 0. Sau thời gian khởi động ban đầu là một trạng thái không
có sự thay đổi và không hoạt động. Khi đó, ở nữa chu kỳ đầu tiên của xung clock,
CK= V
DD

, CK
NEG
=0 làm cho M
0
và M
3
nằm trong vùng hoạt động, M
1
và M
2
rơi vào
trạng thái ngắt. Lúc này C
1
được nạp bởi điện thế V
in
thông qua M
0
và một điện thế
bằng V
DD
+V
in
được chuyển từ C
0
qua V
out
thông qua M
3
. Vì vậy điện thế của V
out

=
V
DD
+V
in
. Ở nửa chu kỳ sau, CK=0, CK
NEG
=V
DD
làm cho M
0
và M
3
ở trạng thái ngắt,
M
1
và M
2
ở trạng thái hoạt động. Lúc này C
0
được nạp một điện thế V
in
thông qua M
1
,
và V
out
nhận một điện thế xả từ C
1
thông qua M

2
. Với V
out
= V
DD
+ V
in
.
Trên đây ta giả sử dòng tải bằng 0, tuy nhiên nếu dòng tải khác 0 thì sau một
chu kỳ thì có sự chênh lệch điện áp giữa V
in
và V
out
với một điện áp là
V
∆
. Giả sử ta
có n tầng như trên thì điện áp ra của mạch được tính theo công thức:
VnVV
DDout
∆
⋅
+
=

Với
V
∆
có thể tính xấp xỉ bằng công thức sau:
outout

par
DD
IR
CC
C
VV −
+
=∆

Trong đó C = C
0
= C
1
và C
par
là điện dung ký sinh giữa các MOS. R
out
là đại
lượng điện trở bị ảnh hưởng bởi điện trở dẫn qua các MOS khi nó hoạt động. Chính vì
thế R
out
không tuyến tính và được biểu diễn bởi một hàm f nào đó.
Từ thiết kế mạch charge-pump 1 tầng như trên, ta tiến hành thiết kế mạch
charge-pump 5 tầng như sơ đồ nguyên lý dưới đây:

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý charge-pump 5 tầng

3.2.2. Mô phỏng thiết kế
Để thực hiện mô phỏng các thông số của thiết kế, ta thực hiện tạo một
testbench. Ở đây ta sử dụng công cụ HSPICE để thực hiện công việc này.

18

Sau đây là Nestlist của testbench được sử dụng để mô phỏng thiết kế:

Sử dụng công cụ HSPICE và Waveview ta có được hình ảnh mô phỏng thông số
của mạch như sau:
* Generated for: HSPICE
* Design cell name: test
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include '/root/FTK/hspice/generic_models.inc'
.GLOBAL gnd!
***************************************************************
* Cell : stage
***************************************************************
.subckt stage clk clk_bar vin vout
m0 vin net0 net1 vin N33 w='0.4u' l='0.28u' nf=1 m=1 ad='0.116p'
+ as='0.116p' pd='0.98u' ps='0.98u' nrd=0.725 nrs=0.725 sa='0.29u'
+ sb='0.29u' sd=0
m1 vin net1 net0 vin N33 w='0.4u' l='0.28u' nf=1 m=1 ad='0.116p'
+ as='0.116p' pd='0.98u' ps='0.98u' nrd=0.725 nrs=0.725 sa='0.29u'
+ sb='0.29u' sd=0
m2 vout net0 net1 vout P33 w='1u' l='0.28u' nf=1 m=1 ad='0.29p'
+ as='0.29p' pd='1.58u' ps='1.58u' nrd=0.29 nrs=0.29 sa='0.29u'
+ b='0.29u' sd=0
m3 vout net1 net0 vout P33 w='1u' l='0.28u' nf=1 m=1 ad='0.29p'
+ as='0.29p' pd='1.58u' ps='1.58u' nrd=0.29 nrs=0.29 sa='0.29u'
+ b='0.29u' sd=0
c1 clk_bar net1 c='1.015p'

c0 net0 clk c='1.015p'
.ends stage
***************************************************************
* Cell : 5stage
***************************************************************
.subckt _5stage ck ck_bar vin vout
xi4 ck ck_bar net5 vout stage
xi3 ck ck_bar net4 net5 stage
xi2 ck ck_bar net3 net4 stage
xi1 ck ck_bar net2 net3 stage
xi0 ck ck_bar vin net2 stage
.ends _5stage
***************************************************************
*Cell : test
***************************************************************
xi1 ck ck_bar vin vout _5stage
cout vout gnd! c='10p'
vin vin gnd! dc=2.5
iout vout gnd! dc='20u'
vpulse0 ck_bar gnd! dc=2.5 pulse ( 0 2.5 0 '1n' '1n' '49n' '100n' )
vpulse1 ck gnd! dc=2.5 pulse ( 2.5 0 0 '1n' '1n' '49n' '100n' )

.tran '10n' '10u' start='0'
.option opfile=1 split_dp=1

.end

19

Hình 13: Điện áp ra của mạch charge-pump

3.2.3. Layout
Tổng diện tích chip là: 165um x 96um
Toàn bộ mạch được phân bố dạng hình chữ nhât như hình sau:

Hình 14: Layout mạch charg-pump 5 tầng


20

3.2.4. Design rule check

Hình 15: Kiểm ra luật thiết kế DRC


3.2.5. Layout verus schematic

Hình 16: Kiểm tra LVS




21

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

[2] Feng Pan, Tapan Samaddar, “Charge Pump Circuit Design”, THE MCGRAW-

HILL COMPANIES, INC., 2006
[3] Neil H. E. Weste, David Harris, “ CMOS VLSI Design – A Circuits and Systems
Perspective”, Third Edition, PEARSON EDUCATION, INC., 2005