Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của kỹ thuật vi mạch và điện tử công suất hiện đại, các bộ chuyển đổi nguồn DC-DC đóng vai trò nòng cốt nhằm cung cấp nguồn điện ổn định, nâng cao hiệu suất năng lượng và kéo dài thời lượng hoạt động cho các thiết bị điện tử. Đặc biệt, đối với các hệ thống thu hoạch năng lượng (energy harvesting) từ môi trường xung quanh – như năng lượng ánh sáng (tự nhiên và nhân tạo) cùng nhiệt năng phát ra từ cơ thể người – mức điện áp thu nhận ban đầu thường rất nhỏ. Do đó, việc tích hợp bộ chuyển đổi DC-DC Boost (bộ biến đổi tăng áp) là yêu cầu tất yếu để nâng mức điện áp thấp lên các mức điện áp danh định phù hợp cho các thiết bị tiêu thụ.

Mặc dù bộ chuyển đổi DC-DC Boost truyền thống có ưu điểm về cấu trúc mạch đơn giản và khả năng tương thích cao với các mạch điều khiển đóng cắt cơ bản, hệ thống này vẫn đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Trong các ứng dụng điều khiển vòng kín, sự biến thiên của tín hiệu dòng điện và điện áp ngõ vào tạo ra độ phức tạp lớn; sự xuất hiện của vùng thời gian chết (dead-time/useless-time) tại điểm sai số điện áp ngõ ra và sự phụ thuộc của điện áp vào cực tính dòng điện gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của hệ thống. Hiệu năng đóng cắt của các transistor công suất phụ thuộc mật thiết vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM). Tuy nhiên, các kiến trúc PWM truyền thống trên công nghệ CMOS thường sử dụng bộ so sánh đa tầng (như bộ so sánh ba tầng - three-level comparator) kết hợp khối khuếch đại vi sai phức tạp, dẫn đến nhược điểm là chiếm dụng diện tích vi mạch lớn và tiêu tán công suất cao, không tối ưu cho các thiết bị đeo hoặc thiết bị di động tiết kiệm năng lượng.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp với đề tài "Design a PWM for DC-DC Boost Converters on 180nm CMOS" (Thiết kế PWM cho bộ chuyển đổi DC-DC Boost trên công nghệ 180nm CMOS) được thực hiện bởi nhóm tác giả Lê Văn Sỹ và Chu Đức Tiến, dưới sự hướng dẫn của PGS. Võ Minh Huân tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (tháng 6/2024). Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng một khối PWM cải tiến dựa trên cấu trúc bộ so sánh 4 transistor (four-transistor comparator), nhằm tối giản hóa phần cứng, tiết kiệm diện tích chip và giảm thiểu mức tiêu thụ công suất trên tiến trình công nghệ 180nm CMOS.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo 3 giai đoạn:

  1. Phân tích và tổng hợp lý thuyết (Theoretical Analysis and Synthesis): Thu thập, hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kỹ thuật PWM, các khối chức năng tương tự (bộ so sánh, bộ tạo sóng răng cưa, bộ khuếch đại vi sai) và nguyên lý vận hành của bộ biến đổi DC-DC Boost ở các chế độ dẫn khác nhau.
  2. Thiết kế và tính toán tham số (Design and Calculation): Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch chi tiết, tính toán các thông số kỹ thuật cho khối PWM (dựa trên bộ so sánh 4 transistor, bộ khuếch đại vi sai tải tích cực, bộ tạo sóng răng cưa) và mạch DC-DC Boost Converter.
  3. Kiểm chứng thực nghiệm bằng mô phỏng (Experimental Verification): Thiết lập môi trường mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng Cadence Virtuoso (Analog Design Environment - ADE L) chạy trên nền tảng máy ảo VMware để kiểm tra, đánh giá dạng sóng ngõ ra và đáp ứng của mạch ở các điều kiện tải khác nhau.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn trong việc thiết kế mức sơ đồ nguyên lý (schematic) và mô phỏng dạng sóng chức năng trên tiến trình bán dẫn 180nm CMOS, hướng tới ứng dụng cấp nguồn cho các thiết bị điện tử cầm tay (điện thoại, đồng hồ thông minh), các hệ thống công suất lớn hơn (ô tô, xe điện) và các ứng dụng tĩnh (đèn chiếu sáng, hệ thống tín hiệu giao thông).


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết thông qua việc phân tích toán học và cấu trúc của từng khối mạch chức năng:

  1. Lý thuyết về bộ so sánh (Comparator): Khác với bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) hoạt động ở cấu hình vòng lặp kín với phản hồi âm, bộ so sánh hoạt động ở cấu hình vòng hở (open-loop) nhằm phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào $V_p$ và điện áp tham chiếu $V_n$. Đồ án phân tích chi tiết hai nhóm đặc tính của bộ so sánh:

    • Đặc tính tĩnh (Static characteristics): Bao gồm hệ số khuếch đại ($Gain$), các mức ngưỡng điện áp chuyển mạch ($V_{iH}, V_{iL}$ tương ứng với $V_{OH}, V_{OL}$), điện áp bù ngõ vào (input voltage offset), điện áp bù ngõ ra (output voltage offset), dòng điện bù ngõ vào (input current offset), độ phân giải ngõ vào (input resolution), thành phần nhiễu (noise) gây hiện tượng rung pha (jitter), và dải điện áp chế độ chung ngõ vào (Input Common Mode Range - ICMR).
    • Đặc tính động (Dynamic characteristics): Bao gồm thời gian trễ lan truyền ($t_p$), tốc độ chuyển mạch ($Speed$), và tốc độ đáp ứng điện áp ($Slew\ Rate - SR$). Các mối quan hệ toán học được thiết lập: $$\text{Propagation delay } (t_p) = \frac{t_{\text{rise}} - t_{\text{fall}}}{2}$$ $$\text{Speed} = \frac{1}{t_p}$$ $$SR = \frac{dV_{out}}{dt} \implies I = C \frac{dV}{dt} \implies t_p = \Delta T = \frac{\Delta V}{SR} = \frac{V_{OH} - V_{OL}}{2 \cdot SR}$$
  2. Khối tạo sóng răng cưa (Ramp Generator): Được thiết kế dựa trên cấu trúc các gương dòng điện (Current Mirrors) gồm các transistor MOSFET từ M1 đến M13/M14, một điện trở định dòng $R_1$, điện áp nguồn $V_{DD}$, điện áp điều khiển $V_{amp}$ và tụ điện nạp/xả $C_1$. Dòng điện từ các gương dòng nạp và xả liên tục cho tụ $C_1$, quyết định hình dạng tuyến tính của sóng răng cưa ngõ ra ($V_{\text{ramp_out}}$) và thiết lập tần số chuyển mạch $f_s$ cho toàn bộ hệ thống.

  3. Bộ khuếch đại vi sai một tầng tải tích cực (Single-Stage Differential Amplifier with Active Load): Mạch gồm cặp vi sai NMOS (M1, M2), tải tích cực là gương dòng PMOS (M3, M4) và nguồn dòng đuôi NMOS (M5). Cấu trúc tải tích cực cho phép đạt hệ số khuếch đại điện áp ($A_v$) và tỷ số khử chế độ chung (CMRR) vượt trội so với tải thụ động (điện trở): $$A_v = g_m \cdot r_o$$ Trong đó, độ dẫn truyền ($g_m$) của NMOS và điện trở ngõ ra ($r_o$) của PMOS được xác định bởi: $$g_m = \frac{2 I_D}{V_{ov}} = \frac{2 I_D}{V_{GS} - V_{th}}$$ $$r_o = \frac{1}{\lambda I_D}$$

  4. Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM Techniques): Tài liệu so sánh 3 phương pháp PWM kinh điển trước khi đề xuất giải pháp mới:

    • Single PWM: Trong mỗi nửa chu kỳ chỉ xuất hiện một xung điều khiển. Điện áp hiệu dụng (RMS) và tỷ số chu kỳ xung (Duty cycle $\delta$) xác định bởi: $$V_0 = V_s \sqrt{\frac{2 t_{ON}}{T}} = V_s \sqrt{2 \delta}, \quad \delta = \sqrt{\frac{t_{ON}}{T}}, \quad MI = \frac{V_r}{V_c}$$
    • Multiple PWM (MPWM): Tạo ra nhiều xung có cùng độ rộng trong mỗi nửa chu kỳ; số xung $p$ phụ thuộc vào tần số sóng mang $f_c$ và tần số ngõ ra $f_o$: $$p = \frac{f_c}{2 f_o}, \quad V_0 = V_s \sqrt{\frac{p \delta}{\pi}}$$
    • Sinusoidal PWM (SPWM): Độ rộng của từng xung biến thiên theo biên độ sóng sin mẫu nhằm giảm sóng hài bậc cao: $$V_s = \sqrt{\sum_{m=1}^{2p} \frac{p \delta}{\pi}}$$
    • Kỹ thuật PWM đề xuất: Tín hiệu sai số điện áp khuếch đại ($V_c$) được so sánh trực tiếp với sóng răng cưa tuần hoàn ($V_s$) qua bộ so sánh 4 transistor. Tỷ số chu kỳ xung được điều khiển theo phương trình: $$K = \frac{t_{ON}}{T_s} = \frac{V_c}{V_s}$$
  5. Lý thuyết bộ chuyển đổi DC-DC Boost: Phân tích mạch Boost trên hai chế độ dẫn: Chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM) và Chế độ dẫn gián đoạn (Discontinuous Conduction Mode - DCM).

    • Trạng thái đóng khóa (On-time phase): Transistor đóng, điện áp tại điểm giữa nối đất, dòng điện cuộn cảm $L$ tăng tuyến tính: $$\frac{di_L}{dt} = \frac{V_{in}}{L}$$ Tụ điện cấp dòng cho tải khiến điện áp ngõ ra giảm: $$\frac{dv_{out}}{dt} = -\frac{I_{load}}{C_{load}}$$
    • Trạng thái ngắt khóa (Off-time phase): Transistor ngắt, năng lượng từ cuộn cảm xả qua diode nạp vào tụ và cấp cho tải: $$\frac{di_L}{dt} = \frac{V_{out,dc} - V_{in}}{L}$$ $$\frac{dv_{out}}{dt} = \frac{i_L - I_{load}}{C_{load}}$$
    • Cân bằng Volt-giây trên cuộn cảm trong chế độ CCM xác lập tỷ số biến đổi điện áp lý thuyết: $$\int_0^T V_L(t) dt = V_{in} t_{off} + (V_{in} - V_{out}) t_{on} = 0 \implies k = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{1}{1 - D}$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tài liệu chuyên ngành về vi mạch CMOS và điện tử công suất, kế thừa các công trình nghiên cứu về cấu trúc DPWM trễ pha (Sun, Daying et al. trên tạp chí IEEE Transactions on Power Electronics) và mạch tạo sóng răng cưa công suất thấp (Tihomir Brusev).
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế vi mạch: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch tích hợp tương tự/tín hiệu hỗn hợp dựa trên thư viện công nghệ bán dẫn 180nm CMOS.
  • Phương pháp mô phỏng thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Cadence Virtuoso (Analog Design Environment L - ADE L) trên môi trường ảo hóa VMware để mô phỏng tín hiệu quá độ (transient analysis), trích xuất và phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ ra.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển PWM cho bộ chuyển đổi DC-DC Boost được cấu trúc thành các khối liên kết chặt chẽ nhằm chuyển hóa tín hiệu từ cảm biến thành xung điều khiển chính xác cho khóa chuyển mạch công suất.

[ Nguồn năng lượng: Ánh sáng & Nhiệt độ ]
          [ Cảm biến nhiệt ]
     [ Điện áp ngõ ra DC nâng áp (20V) ]

Chi tiết các khối mạch phần cứng

  1. Khối so sánh 4 transistor (Four-Transistor Comparator): Thay vì sử dụng bộ so sánh ba tầng truyền thống gồm nhiều tầng khuếch đại đệm làm tăng tiêu tán tĩnh, thiết kế áp dụng cấu trúc 4 transistor tối giản. Khối này tiếp nhận tín hiệu sai số từ bộ khuếch đại vi sai và sóng răng cưa để tạo ra xung điều khiển nhị phân ngõ ra với tốc độ chuyển mạch cao và mức tiêu thụ công suất thấp.

  2. Khối tạo sóng răng cưa (Ramp Generator): Mạch sử dụng mạng lưới gương dòng MOSFET (M1 - M13/M14) kết hợp tụ $C_1$ và điện trở $R_1$, cung cấp dạng sóng răng cưa có biên độ đỉnh $V_{max} = 1.x\text{ V}$ với độ tuyến tính cao, làm tín hiệu chuẩn thời gian cho bộ điều chế PWM.

  3. Khối khuếch đại vi sai một tầng tải tích cực: Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp phản hồi từ ngõ ra với điện áp chuẩn, khuếch đại tín hiệu sai số $e(t) = \bar{v}_0 - v_0$ với hệ số khuếch đại cao nhờ trở kháng ngõ ra lớn của tải gương dòng PMOS.

  4. Thông số thiết kế của bộ biến đổi DC-DC Boost: Mạch chuyển đổi Boost vòng kín sử dụng khóa chuyển mạch MOSFET được thiết lập các thông số kỹ thuật định mức như sau:

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị định mức Đơn vị
Điện áp danh định ngõ vào $V_{in}$ 10 V
Điện áp danh định ngõ ra $V_{out}$ 20 V
Tần số chuyển mạch $f_s$ 1 kHz
Độ tự cảm cuộn dây $L$ 33 mH
Điện dung tụ lọc ngõ ra $C$ 1000 pF
Điện trở tải $R_{load}$ 100 $\Omega$
Tiến trình công nghệ chế tạo CMOS 180 nm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Introduction

Chương mở đầu thiết lập tính cấp thiết của nghiên cứu trong bối cảnh các thiết bị điện tử ngày càng đòi hỏi nguồn cấp ổn định và hiệu quả năng lượng cao. Tác giả phân tích các giới hạn của bộ chuyển đổi tăng áp truyền thống về dải điện áp khả thi và hiệu suất, đồng thời chỉ ra vai trò quyết định của khối điều chế PWM đối với chất lượng chuyển mạch.

Mục tiêu trọng tâm của chương là xác định phương pháp thiết kế bộ điều chế PWM dựa trên bộ so sánh 4 transistor trên tiến trình 180nm CMOS. Nội dung nghiên cứu được chia thành 4 mục tiêu cụ thể: giới thiệu nguyên lý PWM và Boost Converter; tiếp cận và làm chủ phần mềm mô phỏng Cadence Virtuoso trên máy ảo VMware; mô hình hóa và tính toán các tham số mạch; đánh giá hoạt động đọc/ghi dữ liệu của các kịch bản testbench dựa trên kết quả mô phỏng.

Chương 2: Literature Review

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện về các cấu kiện và mạch điện chức năng:

  • Hệ thống tổng quan: Phân tích sơ đồ khối chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng và thân nhiệt qua cảm biến nhiệt, bộ điều chế DPWM và khối Boost Converter cấp nguồn cho các thiết bị di động, xe cộ và hệ thống tĩnh.
  • Bộ so sánh (Comparator): Trình bày chi tiết ký hiệu, đặc tính truyền đạt lý tưởng, mô hình bậc một có xét đến thành phần nhiễu và độ trễ lan truyền, cùng cấu trúc bộ so sánh 4 transistor.
  • Bộ tạo sóng răng cưa (Ramp Generator): Phân tích nguyên lý nạp/xả tụ $C_1$ thông qua các gương dòng MOSFET (M1 - M14) và sự phụ thuộc của tần số chuyển mạch $f_s$ vào dòng nạp và giá trị tụ điện.
  • Bộ khuếch đại vi sai một tầng tải tích cực: Phân tích sơ đồ nguyên lý gồm cặp vi sai NMOS (M1, M2), tải gương dòng PMOS (M3, M4), nguồn dòng đuôi M5; chứng minh công thức hệ số khuếch đại $A_v = g_m \cdot r_o$, công thức độ dẫn truyền $g_m$, điện trở ngõ ra $r_o$, và các yếu tố tối ưu hóa độ đối xứng (matching) nhằm tăng CMRR.
  • Kỹ thuật PWM: Phân tích lý thuyết Single PWM, Multiple PWM (MPWM), Sinusoidal PWM (SPWM) và kỹ thuật PWM đề xuất sử dụng tín hiệu sai số khuếch đại so sánh với sóng răng cưa.
  • Bộ chuyển đổi DC-DC Boost: Phân tích nguyên lý hoạt động ở chế độ 1 (Mode 1 - khóa đóng) và chế độ 2 (Mode 2 - khóa ngắt); phân biệt chế độ dẫn liên tục (CCM) và gián đoạn (DCM); thiết lập các phương trình vi phân và cân bằng Volt-giây để xác định tỷ số điện áp ngõ ra theo chu kỳ nhiệm vụ $D$.

Chương 3: Simulation

Chương 3 trình bày các kết quả thiết kế sơ đồ nguyên lý (schematic) và mô phỏng dạng sóng (waveform) trên phần mềm Cadence Virtuoso ADE L:

  • Mô phỏng bộ tạo sóng răng cưa: Trình bày sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dao động răng cưa với biên độ đỉnh xác định, đảm bảo độ dốc tuyến tính cho quá trình điều chế.
  • Mô phỏng bộ khuếch đại vi sai tải tích cực: Kiểm chứng khả năng khuếch đại tín hiệu vi sai và đáp ứng điện áp ngõ ra tương ứng với sự chênh lệch tín hiệu đầu vào.
  • Mô phỏng bộ điều chế PWM: Thể hiện sơ đồ nguyên lý kết hợp giữa bộ so sánh 4 transistor, bộ tạo sóng răng cưa và bộ khuếch đại vi sai; trích xuất dạng sóng PWM nhị phân ngõ ra khi cấp tín hiệu đầu vào tương tự.
  • Mô phỏng bộ chuyển đổi DC-DC Boost: Triển khai sơ đồ mạch Boost Converter hoàn chỉnh và kiểm thử dạng sóng đáp ứng điện áp/dòng điện tại 4 mức dòng điện ngõ vào khác nhau: $I = 100\text{ mA}$, $I = 200\text{ mA}$, $I = 500\text{ mA}$, và $I = 1000\text{ mA}$. Kết quả đáp ứng được tổng hợp trong Bảng 3.1 (The relationship between Input Current and Output Voltage).

Chương 4: Conclusion and Recommendation

Chương tổng kết đánh giá toàn diện mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu của đồ án, khẳng định tính khả thi của giải pháp thiết kế PWM dùng bộ so sánh 4 transistor cho bộ biến đổi DC-DC Boost trên tiến trình 180nm CMOS, đồng thời đưa ra các đề xuất phát triển tiếp theo cho hệ thống.


Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Xây dựng thành công mô hình mô phỏng các khối chức năng trên Cadence Virtuoso:

    • Hoàn thiện sơ đồ nguyên lý cho bộ tạo sóng răng cưa dùng gương dòng MOSFET, tạo ra dạng sóng răng cưa ổn định.
    • Thiết kế thành công mạch khuếch đại vi sai một tầng tải tích cực với tỷ số khuếch đại và CMRR đáp ứng yêu cầu xử lý tín hiệu sai số.
    • Hiện thực hóa khối PWM tích hợp bộ so sánh 4 transistor, chuyển đổi chính xác tín hiệu tương tự thành chuỗi xung số điều khiển.
  2. Kiểm chứng hoạt động của bộ biến đổi DC-DC Boost:

    • Hệ thống chuyển đổi DC-DC Boost được mô phỏng hoàn chỉnh với các thông số: $V_{in} = 10\text{ V}$, $V_{out} = 20\text{ V}$, tần số $f_s = 1\text{ kHz}$, cuộn cảm $L = 33\text{ mH}$, tụ $C = 1000\text{ pF}$, tải $R = 100\text{ }\Omega$.
    • Thu thập và phân tích dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra ổn định tại các mức dòng điện thử nghiệm: $100\text{ mA}$, $200\text{ mA}$, $500\text{ mA}$, và $1000\text{ mA}$.
    • Thiết lập bảng dữ liệu thực nghiệm (Table 3.1) phản ánh mối quan hệ giữa dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi Boost.

Đóng góp của đề tài

  • Tối ưu hóa phần cứng khối PWM: Đề xuất và chứng minh tính khả thi của cấu trúc bộ so sánh 4 transistor (four-transistor comparator) trong mạch PWM thay thế cho cấu trúc ba tầng truyền thống, giúp giảm thiểu số lượng linh kiện, tiết kiệm diện tích vi mạch (silicon area) và hạ thấp công suất tiêu thụ trên tiến trình CMOS 180nm.
  • Định hướng ứng dụng thu hoạch năng lượng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể cho việc điều chế và nâng áp nguồn điện thu nhận từ cảm biến nhiệt độ cơ thể và ánh sáng môi trường, hỗ trợ phát triển các hệ thống năng lượng bền vững cho thiết bị di động và vi mạch công suất thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đồ án mới dừng lại ở mức độ thiết kế sơ đồ nguyên lý (schematic design) và mô phỏng chức năng (functional simulation) trên phần mềm Cadence Virtuoso ADE L; chưa thực hiện thiết kế layout (mặt nạ vi mạch), chưa chạy kiểm tra DRC/LVS và mô phỏng sau đóng gói (post-layout simulation có xét đến ký sinh $R, L, C$).
  • Chưa tiến hành chế tạo thử nghiệm chip thực tế (tape-out) và đo đạc thông số phần cứng trên bo mạch thực nghiệm.
  • Các điều kiện phi tuyến tính và tổn hao ký sinh trên cuộn cảm, điện trở trong của tụ điện và chuyển tiếp của diode chủ yếu được khảo sát qua mô hình lý thuyết.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thực hiện thiết kế Layout hoàn chỉnh cho toàn bộ hệ thống (PWM và Boost Converter) trên tiến trình 180nm CMOS, tối ưu hóa diện tích và định tuyến đường mạch.
  • Tiến hành trích xuất tham số ký sinh (parasitic extraction) để đánh giá độ trễ thực tế, độ méo dạng sóng răng cưa và sụt áp khi hoạt động ở tần số cao hơn.
  • Chế tạo mẫu thử vi mạch bán dẫn và xây dựng hệ thống đo kiểm thực nghiệm kết nối trực tiếp với cảm biến nhiệt và quang điện thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Kỹ thuật Máy tính, Thiết kế Vi mạch (IC Design), Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và Điện tử Công suất có nhu cầu nghiên cứu về thiết kế mạch tích hợp tương tự (Analog IC Design) và mạch tín hiệu hỗn hợp (Mixed-Signal IC).
  • Tham khảo thiết kế khối mạch tương tự: Cung cấp phương pháp tính toán tham số toán học chi tiết cho mạch khuếch đại vi sai tải tích cực ($g_m, r_o, A_v$), mạch tạo sóng răng cưa dùng gương dòng và các đặc tính tĩnh/động của bộ so sánh.
  • Tài liệu thực hành công cụ CAD: Hướng dẫn quy trình xây dựng sơ đồ nguyên lý, thiết lập kịch bản mô phỏng kiểm thử (testbench) và phân tích dạng sóng quá độ trên công cụ chuẩn công nghiệp Cadence Virtuoso.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại đề xuất sử dụng bộ so sánh 4 transistor thay vì bộ so sánh 3 tầng truyền thống?

Bộ so sánh 3 tầng (three-level comparator) truyền thống tuy có độ lợi lớn nhưng cấu trúc nhiều tầng làm tăng diện tích chip vi mạch và tiêu hao nhiều năng lượng. Việc sử dụng cấu trúc bộ so sánh 4 transistor giúp tối giản hóa phần cứng, tiết kiệm đáng kể diện tích silicon trên tiến trình 180nm CMOS và giảm công suất tiêu thụ tĩnh, rất phù hợp cho các thiết bị di động và thiết bị đeo.

2. Các thông số kỹ thuật định mức của mạch DC-DC Boost Converter trong đồ án là bao nhiêu?

Mạch DC-DC Boost Converter được thiết kế và tính toán với các thông số danh định: điện áp ngõ vào $V_{in} = 10\text{ V}$, điện áp ngõ ra mong muốn $V_{out} = 20\text{ V}$, tần số chuyển mạch $f_s = 1\text{ kHz}$, cuộn cảm $L = 33\text{ mH}$, tụ điện ngõ ra $C = 1000\text{ pF}$, và điện trở tải $R_{load} = 100\text{ }\Omega$.

3. Mạch tạo sóng răng cưa (Ramp Generator) trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào?

Mạch tạo sóng răng cưa hoạt động dựa trên mạng lưới các gương dòng điện cấu thành từ các transistor MOSFET (từ M1 đến M13/M14). Các gương dòng này duy trì dòng nạp và xả tuyến tính cho tụ điện ngõ ra $C_1$. Tần số đóng cắt $f_s$ và biên độ sóng răng cưa được xác định bởi giá trị của tụ $C_1$, điện trở $R_1$ và điện áp điều khiển $V_{amp}$.

4. Hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại vi sai một tầng tải tích cực được xác định như thế nào?

Hệ số khuếch đại điện áp ($A_v$) được tính bằng tích giữa độ dẫn truyền của cặp vi sai NMOS và điện trở ngõ ra của tải tích cực PMOS: $A_v = g_m \cdot r_o$. Trong đó, $g_m = \frac{2 I_D}{V_{GS} - V_{th}}$ và $r_o = \frac{1}{\lambda I_D}$. Việc sử dụng tải tích cực giúp mạch đạt độ lợi điện áp và tỷ số khử tín hiệu chế độ chung (CMRR) cao hơn so với tải điện trở thụ động.

5. Khối DC-DC Boost Converter được mô phỏng kiểm chứng ở những mức dòng điện nào trong Chương 3?

Trong Chương 3, hoạt động của bộ chuyển đổi DC-DC Boost được mô phỏng dạng sóng trên phần mềm Cadence Virtuoso tại 4 mức dòng điện ngõ vào khác nhau gồm: $100\text{ mA}$, $200\text{ mA}$, $500\text{ mA}$, và $1000\text{ mA}$, đồng thời mối liên hệ giữa dòng vào và áp ra được tổng hợp tại Bảng 3.1.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Design a PWM for DC-DC Boost Converters on 180nm CMOS" của sinh viên Lê Văn Sỹ và Chu Đức Tiến đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế và mô phỏng hệ thống điều chế PWM điều khiển bộ biến đổi tăng áp DC-DC trên tiến trình bán dẫn 180nm CMOS. Nghiên cứu đã đề xuất thành công giải pháp tối ưu hóa cấu trúc PWM bằng việc tích hợp bộ so sánh 4 transistor cùng bộ khuếch đại vi sai tải tích cực và bộ tạo sóng răng cưa tuyến tính, giúp giảm thiểu diện tích vi mạch và hạ thấp công suất tiêu tán. Các kết quả mô phỏng trên môi trường Cadence Virtuoso đã kiểm chứng chính xác dạng sóng vận hành và khả năng nâng áp ổn định từ 10V lên 20V của bộ chuyển đổi Boost ở nhiều mức dòng tải khác nhau, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho các ứng dụng thu hoạch năng lượng và quản lý nguồn công suất thấp.