Chương 1 sẽ giới thiệu, trình bày từng bước thực hiện mô phỏng hoạt động của mạch bằng phần mềm LTSpice và thiết kế layout của mạch đó trên công cụ phần mềm Electric. Tiếp theo, chương 2 sẽ giới thiệu về bài thực hành yêu cầu người đọc tự thực hiện từng bước mô phỏng và vẽ layout của 4 mạch xử lý tín hiệu số thông dụng bao gồm: cổng Inverter, cổng AND, cổng OR, cổng XOR, cổng NAND, cổng NOR. Tiếp theo sau chương 2, chương 3 sẽ giới thiệu về cách phân tích và chuyển đổi mạch xử lý tín hiệu số có chức năng bất kì thành những cổng cơ bản trong chương 2 và kết nối với nhau trong quá trình mô phỏng mạch. Bên cạnh giới thiệu về lĩnh vực thiết kế những mạch xử lý tín hiệu số, tài liệu cũng giới thiệu những mạch xử lý tín hiệu tương tự cơ bản trong chương 4 và 5.
Chương 4 sẽ giới thiệu về những mạch khuếch đại kinh điển như mạch khuếch đại S chung (mạch khuếch đại CS), mạch khuếch đại G chung (mạch khuếch đại CG), mạch khuếch đại D chung (mạch khuếch đại CD). Cuối cùng, chương 5 sẽ giới thiệu về mạch khuếch đại một tầng có tải là mạch gương dòng (On-stage amplifier with current mirror load). Trong quá trình viết tài liệu này, tôi nhận thức rằng không thể tránh khỏi các sai sót. Rất mong nhận được sự lượng thứ của bạn đọc và mong nhận được các góp ý, phản hồi để cuốn sách hoàn thiện hơn.
Mọi chi tiết góp ý, xin vui lòng liên hệ bộ môn Kỹ thuật Điện Tử, khoa Điện-Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa-Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP.Hồ Chí Minh; hoặc email: hoangtrang@hcmut.vn Trân trọng cảm ơn. LỜI CẢM ƠN Tác giả đã ấp ủ việc biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành này từ năm 2012 (cách đây đúng 10 năm), sau khi nhận nhiệm vụ Chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật Điện tử, khoa Điện- Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh. Lúc đó, khi tiếp xúc nhiều doanh nghiệp liên quan lĩnh vực vi mạch trong và ngoài nước, tác giả đã thấy nhu cầu cấp thiết cần biên soạn tài liệu này. Tuy vậy, công việc cứ dồn lại, và việc ấp ủ cách đây 10 năm vẫn dừng lại là việc ấp ủ.
Nay, với sự trợ giúp của nhiều thế hệ sinh viên trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM mà tôi không thể kể ra hết được, nhưng không thể không nhắc tới các bạn Phạm Đăng Lâm, Đỗ Quang Thịnh, Đặng Công Thịnh và đặc biệt là 2 bạn Nguyễn Minh Hiếu, Tôn Thất Bảo Phúc đã giúp tôi hoàn chỉnh bước đầu tài liệu này. Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn đã, đang cùng tôi đồng hành trên con đường chia sẻ kiến thức. MỤC LỤC PHẦN 1: QUY TRÌNH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠCH VỚI LTSPICE VÀ THIẾT KẾ LAYOUT VỚI ELECTRIC. Quy trình thiết kế, mô phỏng mạch với LTSpice.1 Khởi động và làm quen với LTSpice:.
Tiến hành thiết kế:. Tiến hành mô phỏng.4 Vẽ sơ đồ bộ inverter:. Quy trình thiết kế, mô phỏng mạch với LTSpice.1 Cài đặt và giao diện chính của phần mềm Electric.2 Vẽ schematic và layout cổng Inverter.55 PHẦN 2: CÁC BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM.74 BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 1: MẠCH SỐ CƠ BẢN. Thực hiện thiết kế Schematic.
Thực hiện thiết kế Layout. Thực hiện mô phỏng.76 BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 2: MẠCH SỐ NÂNG CAO. Thực hiện thiết kế Schematic. Thực hiện thiết kế Layout.
Thực hiện mô phỏng.79 BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 3: MẠCH TƯƠNG TỰ CƠ BẢN. Thực hiện thiết kế Schematic. Thực hiện thiết kế Layout. Thực hiện mô phỏng.82 BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM 4: MẠCH TƯƠNG TỰ NÂNG CAO.
Thực hiện thiết kế Schematic. Thực hiện thiết kế Layout. Thực hiện mô phỏng.84 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Cửa sổ làm việc của LTSpice.
Cửa sổ vẽ mạch schamatic. Giới thiệu những tab trên thanh công cụ của LTSpice. Lựa chọn linh kiện để thực hiện vẽ mạch schematic. Những phím tắt hay sử dụng trong LTSpice.
Lựa chọn linh kiện trong quá trình thiết kế mạch schematic. Thay đổi tên linh kiện trong LTSpice. Chọn giá trị cho linh kiện điện trở. Chọn các loại điện trở khác nhau trong bộ thư viện.
Cửa sổ lựa chọn, thiết kế những thông số cho PMOS. Chọn SPICE Directive’S’ để thêm thư viện linh kiện cho quá trình thiết kế mạch. Text box dùng để gõ lệnh và địa chỉ thư viện mong muốn thêm vào trong quá trình thiết kế, mô phỏng mạch. Nội dung bên trong file thư viện BSIM4 của linh kiện được chế tạo dựa vào công nghệ 45 nm.
Chọn xem dạng sóng là điện áp hoặc cường độ dòng điện. Cửa sổ Edit Simulation Command. Sơ đồ mạch mô phỏng bao gồm 2 điện trở mắc nối tiếp nhau. Lựa chọn chế độ đo điểm hoạt động DC của mạch.
Thông số thu được sau mô phỏng mạch ở chế độ tìm điểm hoạt động DC. Thông số hoạt động của linh kiện bằng cách click chuột phải vào linh kiện. File netlist sau khi thực hiện mô phỏng. Chế độ mô phỏng DC transfer.
Ví dụ về DC transfer function trong LTSpice. Đo Noise cho mạch mô phỏng trong LTSpice. Mạch testbench để đo Noise function. Chọn giá trị để đo Noise cho mạch.
Chọn giá trị cần quan sát dạng sóng ở Noise function trong LTSpice. Đồ thị nhiễu vs Noise trong LTSpice. Thiết lập cài đặt trong AC function của LTSpice. Sử dụng Add trace tab trong LTSpice để quan sát 2 dạng sóng là dòng và công suất cùng 1 lúc.
Bảng thông số của tín hiệu V(C) màu xanh bên trên hình 29. Quan sát nhiều dạng sóng trong nhiều window khác nhau bằng add plot pane tab. Thiết lập thay đổi nguồn điện áp V2 từ 0 V đến 5 V với điện áp bước nhảy thay đổi là 0. Đồ thị với trục hoành là giá trị V2 thay đổi từ 0 V đến 5 V.
Bảng giá trị của điện áp V2 khi sử dụng add traces cho tín hiệu V2. Sự thay đổi giữa Vd và Id của MOS M5 khi thay đổi giá trị điện áp nguồn đầu vào V2. Giá trị được thiết lập cho nguồn V1 để mô phỏng transient cho mạch. Thiết lập giá trị trên trục thời gian để nghiên cứu mô phỏng transient cho mạch.
Kết quả dạng sóng hình sin hiển thị ở nguồn V(n2). Hiển thị dạng sóng V(n001), V(n002), và V(n003) trong cùng 1 cửa sổ kết quả dạng sóng. Truy xuất kết quả của dạng sóng V(n002) bằng click chuột phải vào dạng sóng trong hình 39. Lựa chọn thông số của nguồn V2 để nghiên cứu mô phỏng transient với dạng sóng xung vuông.
Lựa chọn giá trị nguồn để nghiên cứu, mô phỏng transient time 160 ms. Kết quả mô phỏng điện áp đầu ra của cổng OR với transient time = 160 ms. Khởi tạo 1 trang thiết kế schematic mới trên LTSPice. Thư viện cần cho thiết kế.
Vị trí thanh công cụ để chọn biểu tượng thêm thư viện. Chọn linh kiện nmos4 cho thiết kế. Hình schematic của nmos4 vừa được lựa chọn trong thư viện thiết kế. Dữ liệu quan trọng của mô hình nmos trong file thư viện thiết kế.
Thực hiện lựa chọn, thiết kế thông số cho nmos. Thực hiện lựa chọn W/L = 50 nm/0.1 um cho nmos cần nghiên cứu, mô phỏng. Chọn linh kiện pmos4 để nghiên cứu, mô phỏng. Mô hình pmos trong cửa sổ schematic sau khi thực hiện việc lựa chọn thông số cho pmos4.
Thông số lựa chọn để thiết kế và mô phỏng cho mô hình pmos. Sắp xếp vị trí nmos và pmos để tạo thành cổng inverter (cổng not). Thực hiện nối dây tín hiệu kết nối giữa nmos và pmos để tạo ra cổng inverter. Thực hiện việc tạo port tín hiệu IN ngõ vào.
Tạo port ngõ vào IN cho mạch inverter. Tạo port ngõ ra out và nguồn Vdd bằng label trong LTSpice. Hoàn thiện thiết kế mạch schematic cho cổng inverter. Lựa chọn nguồn điện áp trong LTSpice.
Hoàn thiện mạch testbench cho cổng inverter. Lựa chọn giá trị nguồn Vdd là 1 V. Lựa chọn giá trị nguồn ngõ vào để quan sát hoạt động của mạch inverter. Sơ đồ mạch testbench của inverter dùng mô phỏng DC.
Khung mô phỏng của mạch inverter. Đặc tuyến ngõ ra của mạch inverter trong miền mô phỏng DC. Đặc tuyến ngõ vào – ngõ ra của mạch inverter. File cài đặt công cụ phần mềm Electric.
Cài đặt java trên hệ điều hành windows. Mở công cụ phần mềm Electric để vẽ layout mạch. Giao diện giao tiếp với người dùng của phần mềm Electric. Công cụ cài đặt trên phần mềm Electric.
Lựa chọn thanh công cụ tile with edit window trên electric. Lựa chọn dung lượng bộ nhớ khả dụng của Electric. Cài đặt ERC trong Electric. Lựa chọn công nghệ trước khi thực hiện thiết kế layout trên Electric.
Lựa chọn quy trình, thư viện chế tạo trước khi thực hiện vẽ layout. Liên kết với LTSpice và Electric để mô phỏng, so sánh dạng sóng. Tạo mạch nguyên lý schematic cho cổng inverter. Tạo thư viện mới và đặt tên là Inverter1 trong phần mềm Electric.
Cell schematic Inv1 bên trong công cụ phần mềm Electric. Sơ đồ mạch schematic Inv1 trong công cụ phần mềm Electric. Mô hình spice model trên giao diện của công cụ Electric. Đưa tín hiệu ngõ vào và ngõ ra cho khối inverter.
Khối Inverter sau khi hoàn chỉnh tín hiệu ngõ vào, ra và nguồn Vdd và GND. Thay đổi đường dẫn truy cập vào thư viện C5 để thực hiện thiết kế trên công cụ phần mềm Electric. Tạo file mô phỏng dạng sóng trong LTSpice và liên kết qua Electric. Kết quả mô phỏng trong miền transient biểu thị giữa tín hiệu ngõ vào và ngõ ra của mạch Inverter.
Tạo ký hiệu symbol cho mạch Inverter vừa tạo schematic. Tạo ký hiệu symbol cho mạch Inverter vừa tạo schematic. Tạo ký hiệu symbol cho mạch Inverter vừa tạo schematic. Tạo cell schematic cho mạch Inverter.
Hộp thoại Arc Properties. Kết quả mong muốn hiển thị sau khi mô phỏng. Kết quả dạng sóng biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra trong miền transient time. Chọn chế độ vẽ layout cho mạch Inv1 trên ELectric.
Xoay hình vẽ layout của NMOS và PMOS nằm ngang để dễ dàng kết nối cực Gate. Tạo cực S và cực D cho NMOS và PMOS. Hình ảnh của NMOS và PMOS sau khi sửa giá trị Width. NMOS và PMOS sau khi được kết nối những miếng contacts lại với nhau.
Khoảng cách giữa miếng contact và các cực sau khi điều chỉnh. Thêm nWell và pWell để tạo cực Vdd và GND cho mạch Inverter. Kết nối cực B của MOS với Vdd và gnd. Hình vẽ layout của mạch Inverter sau khi hoàn thành.
Tạo chân IN/OUT cho mạch Inverter. Hình vẽ layout của mạch Inverter sau khi hoàn thành. Lỗi DRC về kích thước phần nWell được phần mềm Electric kiểm tra và đánh dấu xác minh. Lỗi DRC về khoảng cách giữa lớp metal và poly.
Kết quả sau khi kiểm tra NCC cho mạch.