THIẾT kế và mô PHỎNG MẠCH KHUẾCH đại PHÂN bố (DISTRIBUTED AMPLIFIER) (có sơ đồ mạch)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH
KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ
(DISTRIBUTED AMPLIFIER)


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................IX
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................X
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ............................1
1.1

MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI.......................................................................................................1

1.2

HỆ THỐNG HÓA MẠCH KHUẾCH ĐẠI [1].......................................................................1

1.2.1

Khái niệm............................................................................................................1

1.2.2

Một vài mạch khuếch đại [3]................................................................................2

1.3

CÔNG NGHỆ CMOS[4].................................................................................................6

1.3.1

Lịch sử phát triển................................................................................................6

1.3.2

MOSFET loại N ( NMOS)[4]................................................................................8

1.3.3

MOSFET loại P (PMOS) [4].................................................................................9

1.3.4

Tính chất của công nghệ CMOS[4]....................................................................11

1.3.5

Đặc tính hoạt động của MOSFET[4]..................................................................11

CHƯƠNG 2. ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG (TRANSMISSION LINE)..........................13
2.1

MÔ HÌNH RLC CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG (THE LUMPED − ELEMENT CIRCUIT FOR

TRANSMISSION LINE)[5]........................................................................................................13

2.2

ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP (MICROSTRIP LINE) [5]................................................17

2.3

MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG TRÊN ADS 2009................................................18

2.3.1

Thiết kế đường truyền microstrip trên PCB......................................................18

2.3.2

Thiết kế đường truyền microstrip trên chip......................................................19

2.3.3

Đường truyền sử dụng các cuộn dây và tụ điện...............................................21

CHƯƠNG 3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ HOẠT ĐỘNG TRONG BĂNG TẦN
C………………………………………………………………………………………….25
3.1

BĂNG TẦN C (IEEE STANDARD)..............................................................................25

3.2

LÝ THUYẾT VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ[4]........................................................26


3.2.1

Lịch sử phát triển..............................................................................................26

3.2.2

Nguyên lý hoạt động[4]......................................................................................27

3.2.3

Mạch khuếch đại phân bố dùng MOSFET[8].....................................................28

3.3

MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG TRÊN PCB.............30

3.4

MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ SỬ DỤNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG TRÊN CHIP.............31

3.5

MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ SỬ DỤNG CÁC CUỘN DÂY VÀ TỤ ĐIỆN LÝ TƯỞNG.....32

3.6

MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ SỬ DỤNG CÁC CUỘC DÂY VÀ TỤ ĐIỆN THỰC TẾ........33

3.6.1

Cuộn dây thực tế[6]............................................................................................33

3.6.2

Tụ điện MIM (MIM capacitor)[6]......................................................................34

3.6.3

Mạch khuếch đại phân bố sử dụng cuộn dây và tụ điện thực tế.......................35

CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT THIẾT KẾ VI MẠCH BÁN DẪN......................................36
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..................................................................................................40
5.1

ỨNG DỤNG CỦA MẠCH KHUỆCH ĐẠI PHÂN BỐ.........................................................40

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................40

5.3

KẾT LUẬN.................................................................................................................41

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................42


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚP A [1]...........................................3
HÌNH 1-2: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚP B [1]...........................................3
HÌNH 1-3: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚP AB [1]........................................4

HÌNH 1-4: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚP C [1]...........................................4
HÌNH 1-5: CẤU TRÚC CỦA NMOS [2]..............................................................................8
HÌNH 1-6: CẤU TRÚC MỘT NMOS ĐƠN GIẢN[4]........................................................9
HÌNH 1-3: CÁC KÝ HIỆU CỦA NMOS[4].........................................................................9
HÌNH 1-7: CẤU TRÚC CỦA PMOS [2]............................................................................10
HÌNH 1-8: CẤU TRÚC MỘT PMOS ĐƠN GIẢN[4]......................................................10
HÌNH 1-9: CÁC KÝ HIỆU CỦA PMOS [4]......................................................................10
HÌNH 1-10: ĐẮC TUYẾN V/I CỦA NMOS[3].................................................................12
HÌNH 2-1: ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN[5]........................................13
HÌNH 2-2: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG[5]..................14
HÌNH 2-3: CẤU TRÚC HÌNH HỌC CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP [5]....17
HÌNH 2-4: TRƯỜNG ĐIỆN E VÀ TRƯỜNG TỪ H CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN
MICROSTRIP [5]..................................................................................................................17
HÌNH 2-5: CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN
PCB...................................................................................................................................18
HÌNH 2-6: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN PCB................19
HÌNH 2-7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ VÀ ĐỘ LỆCH
PHA CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN PCB.........................................19
HÌNH 2-8: CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN
CHIP.................................................................................................................................20
HÌNH 2-9: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN CHIP..............20


HÌNH 2-10: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ VÀ ĐỘ LỆCH
PHA CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN CHIP.......................................21
HÌNH 2-11: SƠ ĐỒ ĐƯỜNG TRUYẾN SÓNG LC TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI ĐƯỜNG
TRUYỀN SÓNG MICROSTRIP TRÊN CHIP...............................................................21
HÌNH 2-12: MẠCH MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC..............................24
HÌNH 2-13: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ VÀ ĐỘ LỆCH
PHA CỦA ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC.......................................................................24

HÌNH 3-1: BỘ KHUẾCH ĐẠI LAN TRUYỀN SÓNG TWA CỦA MẠCH KHUẾCH
ĐẠI PHÂN BỐ[4]..................................................................................................................27
HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ SỬ DỤNG N MOSFET [8]. .28
HÌNH 3-3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH DA DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN
MICROSTRIP TRÊN PCB................................................................................................30
HÌNH 3-4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ CỦA MẠCH DA
DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN PCB................................................30
HÌNH 3-5: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH DA DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN
MICROSTRIP TRÊN CHIP..............................................................................................31
HÌNH 3-6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ CỦA MẠCH DA
DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN MICROSTRIP TRÊN CHIP.............................................31
HÌNH 3-7: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH DA DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC
LÝ TƯỞNG......................................................................................................................32
HÌNH 3-8: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ CỦA MẠCH DA
DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC LÝ TƯỞNG......................................................32
HÌNH 3-9: CUỘN DÂY THƯC TẾ[6]................................................................................33
HÌNH 3-10: CẤU TRÚC CỦA CUỘN DÂY THỰC TẾ[6].............................................33
HÌNH 3-11: MẶT CẮT DỌC CỦA TỤ ĐIỆN MIM[6]....................................................34
HÌNH 3-12: CẤU TRÚC TỤ ĐIỆN MIM[6].....................................................................34
HÌNH 3-13: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH DA DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC
THỰC TẾ.........................................................................................................................35


HÌNH 3-14: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THAM SỐ MA TRẬN TÁN XẠ MẠCH DA
DÙNG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG LC THỰC TẾ..........................................................35
HÌNH 4-1: MỘT WAFER TRỐNG ĐƯỢC PHỦ SIO2[7]...............................................36
HÌNH 4-2: MỘT WAFER ĐƯỢC PHỦ BỞI SIO2 VÀ PHOTORESIST[7].................36
HÌNH 4-3: MỘT PHẦN PHOTORESIST ĐÃ ĐƯỢC LOẠI BỎ[7].............................36
HÌNH 4-4: MỘT PHẦN SIO2 ĐÃ ĐƯỢC LOẠI BỎ[7]...................................................36
HÌNH 4-5: CÁC PHOTORESIST ĐƯỢC LOẠI BỎ HOÀN TOÀN[7]........................37

HÌNH 4-6: NWELL ĐÃ ĐƯỢC HÌNH THÀNH[7].......................................................37
HÌNH 4-7: CÁC SIO2 ĐƯỢC LOẠI BỎ HOÀN TOÀN[7].............................................37
HÌNH 4-8: WAFER ĐƯỢC PHỦ THÊM LỚP OXIDE MỎNG VÀ LỚP
POLYSILICON[7].................................................................................................................37
HÌNH 4-9: CÁC CỰC GATE ĐƯỢC TẠO THÀNH[7]..................................................37
HÌNH 4-10: CHIP ĐƯỢC BAO PHỦ BỞI CÁC OXIDE[7]...........................................38
HÌNH 4-11: CÁC OXIDE ĐƯỢC LOẠI BỎ ĐỂ XÁC ĐỊNH VÙNG KHUẾCH TÁN
N+[7]...................................................................................................................................38
HÌNH 4-12: VÙNG KHUẾCH TÁN N ĐƯỢC TẠO THÀNH[7]...................................38
HÌNH 4-13: CÁC OXIDE ĐƯỢC LOẠI BỎ HOÀN TOÀN[7].....................................38
HÌNH 4-14: VÙNG KHUẾCH TÁN P+ ĐƯỢC TẠO THÀNH[7].................................38
HÌNH 4-15: CHIP ĐƯỢC CHE PHỦ BỞI CÁC OXIDE[7]...........................................39
HÌNH 4-16: MỘT CON CHIP HOÀN CHỈNH[7]............................................................39
HÌNH 4-17: GIAO DIỆN LAYOUT CỦA MỘT CỔNG NOT[7]...................................39
HÌNH 5-1: MỘT BỘ KHUẾCH ĐẠI CATV TRONG THỰC TẾ...............................40


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 3-1: BIẾN THỂ CỦA BĂNG TẦN C TRÊN THẾ GIỚI..................................26


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DA

Distributed Amplifier

TWA

Travelling Wave Amplifier

LNA

Low – Noise Amplifier

CMOS

Complementary Metal − Oxide − Semiconductor

FET

Field  Effect Transistor

MOSFET

MetalOxideSemiconductor Field  Effect Transistor

RAM

Random Access Memory

TTL

Transistor  Transistor Logic

VTH

Threshold Voltage

MMIC

Monolithic Microwave Integrated Circuit

MIM

Metal – Insulator – Metal

CATV

Community Access Television hay Community Antenna Television

IC

Integrated Circuit

ESD

Electrostatic Discharge

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

RF

Radio Frequency

CVD

Chemical Vapor Deposition

GSM

Global System for Mobile Communications


TEM

Transverse Electromagnetic


Trang 1/42

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI PHÂN BỐ

1.1 Mục đích đề tài
Nhu cầu ngày càng tăng về số lượng và tốc độ truyền dữ liệu là một trong những
yếu tố quan trọng nhất thúc đẩy thiết kế các hệ thống viễn thông hiện đại. Do vậy,
các nhà thiết kế IC buộc phải đạt được tốc độ bit ngày càng cao hơn. Tăng tốc độ bit
lên lần lượt thúc đẩy các hệ thống viễn thông đạt được băng thông lớn hơn trong khi
vẫn duy trì được các yêu cầu nghiêm nghặt về các đặc tính kĩ thuật khác như: chi
phí, kích thước, công suất tiêu thụ.
Một phương thức tiếp cận khác để thiết kế băng thông lớn là thiết kế mạch tích
hợp phân bố .Tạo ra mạch tích hợp phân bố áp dụng các phương pháp thiết kế đã
được thực hiện trong gần bảy mươi năm qua với các công nghệ quy trình bán dẫn
đang phát triển nhanh công nghệ IC hiện đại. Sự kết hợp các tín hiệu song song làm
tăng băng thông, cải tiến công suất của các thiết bị. Do đó, trọng tâm của đồ án này
là khi áp dụng phương pháp mạch tích hợp phân bố hướng tới việc thực hiện bộ
khuếch đại phân bố băng rộng trong một quy trình công nghệ CMOS.

1.2 Hệ thống hóa mạch khuếch đại [1]
1.1.1 Khái niệm
Mạch khuếch đại là một thiết bị hoặc linh kiện điện tử sử dụng một lượng công
suất rất nhỏ ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra. Về cơ bản có
ba loại khuếch đại chính là:
 Khuếch đại về điện áp: khi đưa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào mạch thì sẽ
thu được một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần ở đầu ra.
 Khuếch đại về dòng điện: khi ta đưa một tín hiệu có cường độ dòng điện nhỏ
vào mạch sẽ thu được một tín hiệu cho cường độ dòng điện lớn hơn nhiều lần
ở đầu ra.

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 2/42

 Khuếch đại công suất: khi ta đưa một tín hiệu có công suất nhỏ vào mạch sẽ
thu được tín hiệu có công suất lớn hơn nhiều lần ở đầu ra. Mạch khuếch đại
công suất là kết hợp của hai mạch khuếch đại điện áp và dòng điện.
Các đặc tính của mạch khuếch đại được thể hiện qua các thông số:
 Độ lợi điện áp: là tỷ số giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào.
 Độ lợi dòng điện : là tỷ số giữa cường độ dòng điện ngõ ra và cường độ dòng
điện ngõ vào.
 Độ lợi công suất: là tỷ số giữa công suất ngõ ra và công suất ngõ vào.
 Băng thông của một mạch khuếch đại là khoảng cách giữa tần số cao nhất và
tần số thấp nhất ở điểm mà hệ số khuếch đại giảm còn 1/2, được gọi là băng
thông -3dB.
 Nhiễu: là một thành phần không mong muốn nhưng cũng không thể tránh
khỏi trong các linh kiện, các thành phần trong mạch và cả môi trường xung
quanh.

 Hiệu suất: là một số đo biểu thị mức độ công suất tiêu thụ ở hệ thống đã
được chuyển hóa thành năng lượng hữu ích ở đầu ra của mạch khuếch đại.
1.1.2 Một vài mạch khuếch đại [3]
1.1.1.1 Khuếch đại công suất (Power Amplifier) [1]
Khuếch đại công suất là thuật ngữ chỉ các mạch có mối liên hệ giữa lượng công
suất đưa đến tải và lượng công suất lấy từ nguồn nuôi. Thông thường mạch khuếch
đại công suất được thiết kế cho mạch khuếch đại sau cùng trong một chuỗi các tầng,
và tầng này được thiết kế với sự chú trọng nhiều về hiệu suất.
Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại
công suất ra thành các loại chính như sau:

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 3/42

 Khuếch đại công suất lớp A: tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính,
nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360o của tín
hiệu ngõ vào (transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hiệu ngõ vào).

Hình 1-1: Mạch khuếch đại công suất lớp A [1]

 Khuếch đại công suất lớp B: transistor được phân cực tại V BE=0 (vùng
ngưng). Chỉ một nữa chu kỳ âm hoặc dương của tín hiệu ngõ vào được
khuếch đại.

Hình 1-2: Mạch khuếch đại công suất lớp B [1]

 Khuếch đại công suất lớp AB: transistor được phân cực ở gần vùng ngưng.
Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tín hiệu vào (transistor hoạt

động hơn một nữa chu kỳ dương hoặc âm của tín hiệu ngõ vào).

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 4/42

Hình 1-3: Mạch khuếch đại công suất lớp AB [1]

 Khuếch đại công suất lớp C: transistor được phân cực trong vùng ngưng để
chỉ một phần nhỏ hơn nữa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.
Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng
hưởng và trong các ứng dụng đặc biệt.

Hình 1-4: Mạch khuếch đại công suất lớp C [1]

1.1.1.2

Mạch khuếch nhiễu thấp (Low – Noise Amplifier)[3]

Mạch khuếch đại nhiễu thấp (LNA) là mạch khuếch đại điện tử dùng để khuếch
đại tín hiệu có công suất rất thấp mà không làm suy giảm tỷ lệ S\N. Mạch khuếch
Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 5/42

đại làm tăng công suất của cả tín hiệu và nhiễu tại đầu vào của mạch. Một LNA
được thiết kế để giảm thiểu nhiễu, các nhà thiết kế giảm thiểu nhiễu bằng cách xem
xét sự cân bằng, bao gồm phối hợp trở kháng, lựa chọn công nghệ khuếch đại (như

các thành phần nhiễu thấp). LNA được tìm thấy trong các hệ thống truyền thông vô
tuyến, dụng cụ y tế và thiết bị điện tử. Một LNA điển hình có thể có độ lợi công
suất là 100W (20 dB).
Một số yêu cầu hoạt động của mạch:
 Nguồn cung cấp cho mạch hoạt động: 1 V đến 10 V.
 Cường độ dòng điện cho mạch hoạt động: (mA) phụ thuộc vào thiết kế
và ứng dụng của mạch.
 Tần số hoạt động: từ 500 kHz đến 50 GHz.
 Nhiệt độ hoạt động: thông thường từ 30 °C đến 50 °C (22 °F đến 122
°F).
Hệ số nhiễu giúp xác định hiệu suất của một LNA. Ứng dụng của LNA thường
được được dựa trên hệ số nhiễu của nó . Với hệ số nhiễu thấp, một LNA phải có độ
lợi cao, một LNA không có độ lợi cao sẽ dễ bị ảnh hưởng, tín hiệu dễ bị suy hao. Vì
vậy, hệ số nhiễu và độ lợi cao là các thông số quan trọng. Độ lợi của LNA sẽ thay
đổi theo tần số hoạt động của mạch.
1.1.1.3

Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amps)[3]

Mạch khuếch đại thuật toán là mạch tích hợp rắn có thể ráp phối hợp với các
mạch hồi tiếp bên ngoài để có thể điều chỉnh hàm truyền hay độ lợi của nó.
1.1.1.4

Mạch khuếch đại vi sai (Diffential Amplifier)[3]

Một mạch khuếch đại vi sai là một mạch khuếch đại tích hợp mạch rắn, có
những mạch hồi tiếp bên ngoài để điều khiển hàm truyền hoặc độ lợi của
nó. Khuếch đại vi sai hoàn toàn (Fully Differential Amplifier) cũng gần tương tự
với mạch khuếch đại thuật toán, nhưng có đầu ra vi sai.
Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)

Trang 6/42

1.1.1.5

Mạch khuếch đại âm thanh[3]

Mạch khuếch đại âm thanh thường được dùng để khuếch đại các tín hiệu có tần
số âm thanh như âm nhạc và giọng nói con người,... Hầu hết mạch khuếch đại âm
thanh đều là khuếch đại tuyến tính và hoạt động trong lớp AB.
1.3 Công nghệ CMOS[4]
CMOS (Complementary MetalOxideSemiconductor) là một loại công nghệ
chế tạo vi mạch tích hợp. Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều
khiển, RAM tĩnh, các mạch logic số và cũng được dùng nhiều trong các mạch tương
tự như cảm biến hình ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, các vi mạch thu phát có mật độ
tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin.
Thiết kế các hàm logic trong mạch CMOS sử dụng cả hai loại MOSFET loại N
và MOSFET loại P và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại MOSFET nằm ở trạng thái
dẫn.
1.1.3 Lịch sử phát triển
Frank Wanlass đã phát minh ra các mạch CMOS vào năm 1963 tại hãng
Fairchild Semiconductor.
Vào năm 1968, vi mạch tích hợp CMOS đầu tiên đã được sản xuất bởi một
nhóm nghiên cứu tại RCA do Albert Medwin lãnh đạo. Khởi đầu, CMOS được xem
như là một giải pháp thay thế cho TTL, tuy tốc độ hoạt động chậm hơn TTL nhưng
tiêu hao năng lượng ít hơn. Vì thế, ban đầu CMOS được sự quan tâm của ngành
công nghiệp đồng hồ điện tử và một số lĩnh vực khác mà thời gian sử dụng pin quan
trọng hơn so với vấn đề tốc độ.
Khoảng 25 năm sau, CMOS đã trở thành kỹ thuật chiếm ưu thế trong vi mạch

tích hợp số, với việc ra đời các thế hệ quy trình chế tạo bán dẫn mới, kích thước của
các transistor ngày càng giảm xuống dẫn đến một loạt cải tiến, diện tích chiếm chỗ
của vi mạch giảm, tốc độ làm việc tăng, hiệu suất sử dụng năng lượng tăng và giá
thành chế tạo giảm. Nhờ vào sự đơn giản và khả năng tiêu tán công suất tương đối
thấp của mạch CMOS, người ta có thể thực hiện vi mạch có mật độ tích hợp cao mà
vốn không thể làm được nếu dựa trên các transistor tiếp giáp lưỡng cực
Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 7/42

Ban đầu, chỉ có thể tìm thấy các hàm logic CMOS chuẩn trong vi mạch tích hợp
số họ 4000. Sau đó, nhiều hàm trong họ 7400 bắt đầu được chế tạo bằng kỹ thuật
CMOS, NMOS, BiCMOS và các kỹ thuật khác.
Thời kỳ đầu, mạch CMOS dễ bị hư hỏng vì quá nhạy cảm với sự xả điện tích
tĩnh điện (ESD). Do đó, các thế hệ sau thường được chế tạo kèm theo các mạch bảo
vệ tinh vi nhằm làm tiêu tán các điện tích này, không để cho lớp oxide cổng và các
tiếp giáp P − N mỏng manh bị phá hủy. Các hãng sản xuất vẫn khuyến cáo nên dùng
bộ phận chống tĩnh điện khi thao tác trên các vi mạch CMOS nhằm tránh hiện
tượng vượt quá năng lượng. Chẳng hạn, các hãng sản xuất thường yêu cầu dùng bộ
phận chống tĩnh điện khi chúng ta làm các thao tác thêm một khối bộ nhớ vào máy
vi tính.
Ngày nay, thay vì dùng kim loại nhôm như ban đầu, người ta tạo ra cực cổng G
bằng một vật liệu khác, đó là polysilicon. Tuy nhiên, IBM và Intel đã công bố sẽ sử
dụng trở lại cổng kim loại trong công nghệ CMOS nhằm tận dụng tính chất tiên tiến
của vật liệu có hằng số điện môi cao trong việc chế tạo các vi mạch có kích thước
45 nm hay nhỏ hơn. Dù có nhiều thay đổi, tên gọi CMOS vẫn tiếp tục được sử dụng
trong các quy trình chế tạo hiện đại.
1.1.4 MOSFET loại N ( NMOS)[4]
1.1.1.6 Cấu trúc của NMOS

Hình 1-5: Cấu trúc của NMOS [2]

NMOS gồm có 4 cực: cực cổng G (Gate), cực nguồn S (Source), cực máng D
(Drain), cực nền B (Body hay Bulk).

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 8/42

NMOS được cấu tạo trên nền chất bán dẫn loại p (được gọi là cực nền B), cực
nguồn S và cực máng D được cấu tạo từ chất bán dẫn loại n, chất dẫn polysilicon
cấu tạo nên cực cổng G và một lớp silicon oxide (SiO2) cách điện cực cổng G khỏi
chất bán dẫn loại n.
1.1.1.7 Nguyên lý hoạt động NMOS
Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện V GS  0 để
tạo kênh dẫn, còn VDS  0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S
về cực máng D tạo nên dòng điện ID.
Khi ta đặt một điện áp lên cực cổng G lớn hơn so với cực nguồn S (V GS  0) đến
một giá trị gọi là điện áp ngưỡng (ký hiệu là V TH) thì một số các lỗ trống được hút
về tạo thành một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối
liền cực nguồn S với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành.

Hình 1-6: Cấu trúc một NMOS đơn giản[4]

Hình 1-7: Các ký hiệu của NMOS[4]

1.1.5 MOSFET loại P (PMOS) [4]
1.1.1.8 Cấu trúc PMOS

Transistor PMOS tương tự như transistor NMOS nhưng đảo ngược lại loại bán
dẫn và mức điện áp. Transistor PMOS được cấu tạo trên nền chất bán dẫn loại n
(gọi là cực nền B), cực nguồn S và cực máng D được cấu tạo từ chất bán dẫn loại p,

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 9/42

chất dẫn polysilicon cấu tạo nên cực cổng G và một lớp silicon oxide (SiO2) cách
điện cực cổng G khỏi chất bán dẫn loại p.
1.1.1.9

Nguyên lý hoạt động PMOS

Hình 1-8: Cấu trúc của PMOS [2]

Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện V GS < 0 để
tạo kênh dẫn, còn VDS < 0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S
về cực máng D tạo nên dòng điện ID.
Khi ta đặt một điện áp lên cực cổng G nhỏ hơn so với cực nguồn S (V GS < 0) đến
một giá trị gọi là điện áp ngưỡng V TH thì một số các lỗ trống được hút về tạo thành
một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn
S với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành.

Hình 1-9: Cấu trúc một PMOS đơn giản[4]

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)

Trang 10/42

Hình 1-10: Các ký hiệu của PMOS [4]

1.1.6 Tính chất của công nghệ CMOS[4]
Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ CMOS
 Có độ miễn nhiễu cao.
 Tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp: các vi mạch CMOS chỉ tiêu
thụ năng lượng khi các transistor bên trong chuyển đổi giữa các trạng thái tắt
và dẫn. Kết quả là các thiết bị CMOS ít tiêu thụ năng lượng và tạo ra ít nhiệt
hơn so với các loại mạch logic khác như mạch transistor − transistor logic
(TTL) hay mạch logic NMOS. CMOS cũng cho phép tích hợp các hàm logic
với mật độ cao trên chip.
Trong cổng logic CMOS: NMOS 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 Vss). Thay vì dùng tải là điện trở như trong các cổng logic NMOS, cổng logic
CMOS lại dùng tải là PMOS sắp thành dạng mạch kéo lên nằm giữa đầu ra của
cổng G và đường cung cấp nguồn điện áp cao (thường được ký hiệu là V DD). Mạch
kéo lên gồm các PMOS, mang tính bổ túc ("bù") cho mạch kéo xuống, gồm các
NMOS, sao cho khi các NMOS tắt thì các PMOS sẽ dẫn và ngược lại.
1.1.7 Đặc tính hoạt động của MOSFET[4]
Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc
vào điện áp trên các đầu cuối. Với NMOS thì ba chế độ đó là:
 Chế độ cut-off hay ngắt : VGS < VTH.
 Chế độ hoạt động tuyến tính: VDS  VGS  VTH.
 Chế độ bão hòa: VDS > VGS  VTH.

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)

Trang 11/42

Hình 1-11: Đắc tuyến V/I của NMOS[3]

CHƯƠNG 2.

ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG (TRANSMISSION LINE)

Lý thuyết đường truyền làm cầu nối khoảng cách giữa phân tích trường và lý
thuyết mạch cơ bản và do đó có tầm quan trọng đáng kể trong việc phân tích vi
Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 12/42

mạch. Như chúng ta thấy, hiện tượng lan truyền sóng trên đường truyền có thể được
tiếp cận từ mở rộng của lý thuyết mạch hoặc từ một phương trình Maxwell.
1.4 Mô hình RLC của đường truyền sóng (The lumped − element circuit for
transmission line)[5]
Sự khác nhau chính giữa lý thuyết mạch điện tử và lý thuyết đường truyền là
kích thước về điện. Phân tích mạch điện giả định rằng kích thước vật lý của mạng
nhỏ hơn nhiều bước sóng điện, trong khi đường truyền có thể là một phần đáng kể
của một bước sóng hoặc nhiều bước sóng về kích thước. Do đó một đường truyền là
một mạng phân bố, nơi mà điện áp và dòng điện có thể khác nhau về cường độ và
pha trên chiều dài của nó, trong khi phân tích mạch bình thường với các yếu tố gộp,
nơi điện áp và dòng điện không thay đổi đáng kể so với kích thước vật lý của các
phần tử.
Một đường truyền sóng thường được biểu diễn dưới dạng giản đồ như hình 2-1,
là một cặp đường dây kể từ đường truyền (cho truyền sóng điện từ [TEM] ngang)
luôn luôn có ít nhất hai dây dẫn.

Hình 2-1: Định nghĩa về điện áp và dòng điện[5]

Một phần của đường truyền hình 2.1 có độ dài rất nhỏ z có thể được mô hình
hóa như là một mạch RLCG, trong đó R, L, C, G là các đơn vị chiều dài đươc định
nghĩa như sau:
R: điện trở nối tiếp trên mỗi đơn vị chiều dài cho cả 2 đường truyền dẫn (/m).
L: điện cảm nối tiếp trên mỗi đơn vị chiều dài cho cả 2 đường truyền dẫn (H/m).
G: độ dẫn điện shunt trên mỗi đơn vị chiều dài (S/m).
C: điện dung shunt shunt trên mỗi đơn vị chiều dài (C/m).

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 13/42

Hình 2-2: Mạch tương đương của đường truyền sóng[5]

Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp ta được:
(2.1a)
Áp dụng định luật Kirchhoff về dòng điện ta được:
(2.1b)
Chia công thức (2.1a) và (2.1b) cho z. Sau đó, lấy giới hạn z  0 ta được các
công thức sau:
(2.2a)
(2.2b)
Các công thức trên được tính toán trong miền thời gian, còn được gọi là công
thức telegrapher. Với điều kiện sóng sine ổn định, có thể đơn giản công thức (2.2a)
và (2.2b) ta được phương trình truyền sóng:
(2.3a)

(2.3b)
Từ công thức (2.3a) và (2.3b) ta có nghiệm của phương trình truyền sóng:
(2.4a)
(2.4b)
Nghiệm của phương trình truyền sóng có dạng:
(2.5a)
(2.5b)
Trở kháng đặc tính của đường truyền sóng:
(2.6)
Quan hệ giữa điệp áp và dòng điện trên đường truyền sóng là:
(2.6)
Từ công thức (2.5b) và (2.6), suy ra dòng điện trên đường truyền sóng là:
(2.7)
Với   là hệ số truyền sóng.
Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 14/42

(2.8)
Trong đó:
+  là hệ số suy hao được xác đinh qua sự suy giảm của điện áp hay dòng điện
dọc theo chiều dài đường truyền sóng.
+  hệ số dịch pha được xác định thay đổi góc pha điện áp hay dòng điện theo
khoảng cách.
Bước sóng trên đường truyền sóng là:
(2.9)
Vận tốc pha là:
(2.10)
Đối với đường truyền sóng không tổn hao: do tổn hao trên đường truyền rất nhỏ

nên có thể bỏ qua. Khi đó R = G = 0 trong công thức (2.8) ta được hằng số truyền
sóng là:
(2.11)
hoặc
(2.12)
(2.13)
Khi đó trở kháng đặc tính của đường truyền là:
(2.14)
Điện áp và dòng điện trên đường truyền không tổn hao là:
(2.15)
(2.16)
Bước sóng trên đường truyền sóng là:
(2.17)
Vận tốc pha:
(2.18)
1.5 Đường truyền microstrip (Microstrip line) [5]
Đường truyền microstrip là một trong những loại phổ biến nhất của các đường
truyền phẳng bởi vì nó có thể được chế tạo bằng quy trình photolithographic, được
dễ dàng thu nhỏ và tích hợp với cả hai thiết bị vi sóng thụ động và tích cực.

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 15/42

Hình 2-3: Cấu trúc hình học của đường truyền microstrip [5]

Hình 2-4: Trường điện E và trường từ H của đường truyền microstrip [5]

Vận tốc pha:

(2.19)
Hằng số truyền sóng:
(2.20)
Trong đó, là hằng số điện môi hữu ích. Hằng số điện môi hữu ích phải thỏa mãn
công thức (2.21).
(2.21)
Hằng số điện môi hữu ích của đường truyền microstrip được tính bằng công thức:
(2.22)
Từ kích thước của đường truyền microstrip có thể tính được trở kháng đặc tính:
(2.23)
1.6 Mô phỏng đường truyền sóng trên ADS 2009
1.1.8 Thiết kế đường truyền microstrip trên PCB
Một vài thông số kỹ thuật của đường truyền microstrip trên PCB:

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)


Trang 16/42

+ Độ dày lớp cách điện: 0.764 mm.
+ Độ dày lớp dẫn điện: 0.018 mm.
+ Hằng số điện môi: r = 4.2.
+ Độ dẫn điện của đồng: Cond = 5.8*10-7 .

Hình 2-5: Các thông số thiết kế đường truyền microstrip trên PCB

Hình 2-6: Mô phỏng đường truyền microstrip trên PCB

Thiết kế và mô phỏng mạch khuếch đại phân bố (Distributed Amplifier)