Thực hành analog: bộ khuếch đại và tổng kết

Vùng giữa của đặc tuyến khuếch đại được, và điện áp vào chọn điểm làm việc của mạch nMOS với điện trở tải

Điện trở tải đổi dòng của nMOS thành điện áp ra; ba mức điện áp vào cho ba điểm làm việc rất khác nhau.

Muốn khuếch đại, ta dùng vùng giữa của đặc tuyến: bỏ pMOS khỏi cổng đảo, thay bằng điện trở tải nối từ điện áp cấp xuống máng. Cực nguồn nối đất nên gọi là mạch nguồn chung (common-source).

Xem lời đọc

Mạch không chỉ có hai mức, và vùng giữa của đặc tuyến cổng đảo là nơi khuếch đại. Ta bỏ pMOS khỏi cổng đảo và thay bằng một điện trở tải. Điện trở này nối từ điện áp cấp xuống máng của nMOS. Cực nguồn nối đất, vào ở cổng, ra ở máng, nên gọi là mạch nguồn chung. Đặt điện áp vào ở mức không thì nMOS tắt, điện áp ra bằng điện áp cấp. Đặt ở mức một thì nMOS bật hẳn, điện áp ra tụt xuống rất thấp. Còn ở giữa, ta chọn điện áp vào để điện áp ra đứng cỡ nửa điện áp cấp. Chỗ đứng đó là điểm làm việc.

Điện trở đổi dòng máng thành điện áp (định luật Ôm). Để khuếch đại tốt, nMOS cần ở vùng bão hòa; chọn RD sao cho V_ra ở khoảng giữa. Chip thật thường dùng transistor làm tải; hình dùng điện trở cho dễ thấy. Số thật (SKY130, ngspice 42, tt): RD = 10 kΩ; vào 0 V cho ra 1,80 V; vào 1,8 V cho ra 0,20 V (dòng cấp 160 µA); vào 1,15 V cho ra 0,90 V (90 µA). Đoạn dốc nhất: −2,38 V/V tại V_vao 1,09 V. g_m = 296 µS ở V_DS = 0,9 V; g_m·RD = 2,96; độ lợi đo 2,36 (bằng 0,80 lần g_m·RD, đúng "không vượt quá"). 5 kΩ: độ lợi 1,36, tần số cắt 3,68 GHz; 20 kΩ: 3,70 và 1,04 GHz (đặt lại V_vao 1,44 V và 0,99 V). Sóng 5 mV, 100 MHz: ra 11,8 mV, đảo dấu (tương quan −0,999). Câu 7 của c4 được xác nhận. Chạy lại: `b10-chay.py`.

Phân tích quét cho đường ra theo vào có hai đầu phẳng làm cổng số và đoạn giữa dốc nhất làm khuếch đại

Cùng một transistor: hai đầu phẳng là cổng số, đoạn giữa dốc là nơi khuếch đại.

Đường điện áp ra theo vào có hai đầu phẳng và một đoạn giữa dốc nhất. Ở đoạn dốc, thay đổi nhỏ của vào thành thay đổi lớn của ra.

Xem lời đọc

Ta chạy phân tích quét, đổi điện áp vào từ không đến điện áp cấp. Điện áp ra vẽ thành đường gần giống đặc tuyến của cổng đảo. Khi điện áp vào nhỏ, đường nằm phẳng ở điện áp cấp. Khi điện áp vào lớn, đường xuống thấp và gần phẳng. Hai đoạn phẳng là chỗ transistor dùng làm cổng số. Đoạn giữa dốc nhất, nên thay đổi nhỏ của vào thành thay đổi lớn của ra. Cùng một transistor, đứng ở hai đầu thì làm cổng số, đứng ở giữa thì khuếch đại.

Đường không đối xứng như cổng đảo vì tải là điện trở. Đầu phẳng trên ở điện áp cấp (nMOS tắt); đầu dưới ở 0,20 V (nMOS ở vùng điện trở, còn dốc nhẹ); đoạn dốc nhất ứng với vùng bão hòa. Số từ b10-dc; nét đứt cổng đảo chỉ so hình dạng.

Hỗ dẫn là độ dốc của dòng máng theo điện áp cổng, và độ lợi không vượt quá hỗ dẫn nhân điện trở tải

Dòng máng đổi một chút thì điện áp ra đổi tối đa bằng độ đổi dòng nhân điện trở tải; tỷ số ra trên vào là độ lợi, ra đảo dấu.

Transconductance (hỗ dẫn, g_m) cho biết dòng máng đổi bao nhiêu khi điện áp cổng đổi một chút, khi máng giữ cố định. Gain (độ lợi) là tỷ số biên độ ra trên biên độ vào.

Xem lời đọc

Giữ điện áp máng cố định ở giá trị của điểm làm việc, rồi quét điện áp cổng. Độ dốc của dòng máng theo điện áp cổng gọi là hỗ dẫn. Hỗ dẫn cho biết dòng máng đổi bao nhiêu khi cổng đổi một chút. Dòng máng chảy qua điện trở tải nên đổi thành điện áp ra. Dòng tăng thì điện áp ra giảm, và độ giảm bằng độ tăng của dòng nhân điện trở tải. Tỷ số biên độ ra trên biên độ vào gọi là độ lợi. Độ lợi không vượt quá hỗ dẫn nhân điện trở tải, và ra ngược dấu với vào.

g_m lấy ở V_DS CỐ ĐỊNH (bằng V_ra của điểm làm việc): từ `gm` của XMN trong `.op` và từ đường dòng máng theo vào khi pin máng giữ cố định (b10-gm); KHÔNG lấy từ độ dốc `.dc` của cả mạch có RD, vì độ dốc đó nhân RD đã là chính độ lợi. Công thức A_v = −g_m·(RD ∥ r_o); r_o là điện trở ra của nMOS (dòng máng còn tăng nhẹ theo V_DS), nên độ lợi thật không vượt g_m·RD. Dòng thật qua RD đổi ít hơn g_m·ΔV_vào. Người học chỉ cần hình: độ dốc nhân điện trở là trần của độ lợi.

Phân tích tần số cho độ lợi phẳng ở tần số thấp rồi tụt, và băng thông là khoảng tần số còn độ lợi

Độ lợi phẳng, tụt khi tụ tải không kịp nạp xả; khi mỗi điện trở được đặt lại điểm làm việc, điện trở tải lớn cho độ lợi lớn hơn nhưng băng thông nhỏ hơn.

Bandwidth (băng thông) là khoảng tần số mà độ lợi còn trên 0,7 lần giá trị phẳng. Mỗi điện trở được đặt lại điểm làm việc thì điện trở lớn cho độ lợi lớn hơn, băng thông nhỏ hơn.

Xem lời đọc

Giờ ta chạy phân tích tần số tại điểm làm việc đã chọn. Ta thêm sóng nhỏ vào điện áp vào, rồi xem tỷ số biên độ theo tần số. Ở tần số thấp, tỷ số nằm phẳng ở mức độ lợi của mạch. Tần số tăng thì tụ tải nạp xả không kịp, nên tỷ số tụt xuống. Băng thông là khoảng tần số mà độ lợi còn trên bảy phần mười giá trị phẳng. Với mỗi điện trở tải, ta đặt lại điểm làm việc rồi so hai đường. Điện trở tải lớn thì độ lợi lớn hơn, nhưng băng thông nhỏ đi.

QUY TẮC mã b10-ac: với mỗi RD, chỉnh lại V_vao để V_ra ≈ 0,9 V (nMOS còn ở vùng bão hòa) rồi mới chạy `.ac`; giữ V_vao cũ thì RD lớn đẩy nMOS vào vùng điện trở, độ lợi GIẢM. Câu lời 7 CHỈ GIỮ nếu `.ac` xác nhận (độ lợi tăng, băng thông giảm); nếu không, câu 7 đổi thành "Điện trở tải đổi độ lợi lấy băng thông." Mốc 0,7 lần (0,707, tức −3 dB). f_c = 1/(2π·R_ra·C), C là tụ ở `ra` (CL 10 fF cộng ký sinh). Trục tần số lôga: mỗi vạch gấp mười lần.

Phân tích quá độ cho thấy sóng nhỏ ở đầu vào thành sóng lớn đảo dấu ở đầu ra

Cùng thang điện áp, sóng ra lớn hơn sóng vào và ngược dấu; tỷ số cỡ độ lợi.

Pin vào giữ điện áp của điểm làm việc, cộng một sóng nhỏ. Sóng ra cùng tần số, lớn hơn và đảo dấu.

Xem lời đọc

Giờ ta xem theo thời gian bằng phân tích quá độ. Pin vào giữ điện áp của điểm làm việc, cộng thêm một sóng nhỏ. Biên độ sóng vào rất nhỏ so với điện áp cấp. Điện áp ra cũng là sóng, cùng tần số nhưng biên độ lớn hơn. Khi sóng vào lên, điện áp ra xuống, nên ra đảo dấu so với vào. Tỷ số biên độ ra trên vào cũng cỡ độ lợi đã đo bằng phân tích tần số. Vậy tín hiệu nhỏ được khuếch đại nhờ đứng đúng vùng dốc của đặc tuyến.

Biên độ sóng vào chọn nhỏ (`biên độ vào 5 mV, tần số 100 MHz`) để mạch gần tuyến tính; sóng vào lớn thì đỉnh sóng ra bị cắt (méo), không nói ở lời. Hai hàng dùng CHUNG thang dọc đơn vị mV quanh mức một chiều (đã trừ điện áp điểm làm việc), để thấy "lớn hơn"; mức một chiều ghi riêng. Tỷ số lấy từ b10-tran, đối chiếu b10-ac.

Mỗi bậc của khóa giải một vấn đề và để lại vấn đề kế tiếp, từ máy tính thay tay đến họ BSIM

Năm bậc đầu theo thứ tự đã học, mỗi bậc một hình thật: dấu tích là cái đạt được, dấu "!" là vấn đề của bậc sau.

Chuỗi vấn đề → cách làm → cải thiện lặp lại ở mười bậc theo thứ tự đã học. Dấu tích là cái đạt được, dấu "!" là vấn đề còn lại.

Xem lời đọc

Ta nhìn lại khóa theo thứ tự đã học. Tính tay chỉ được vài cổng, nên máy tính thay tay, nhưng cần một bản vẽ bằng chữ. Netlist cùng bốn loại phân tích đặt được câu hỏi, nhưng chưa nói máy giải ra sao. Bên trong bộ mô phỏng, bộ giải lặp theo Newton, nhưng cần một hàm dòng của transistor. Mô hình compact cho hàm dòng nhanh và trơn, nhưng hộp bên trong còn kín. Họ BSIM mở hộp thành nhóm tham số theo hiện tượng, nhưng chưa nói số từ đâu ra.

Thang bậc: 1 máy tính thay tay, 2 netlist và bốn phân tích, 3 bên trong bộ mô phỏng, 4 mô hình compact, 5 họ BSIM. Hình thu nhỏ dùng lại hình từng bài; ⚠ chỉ ở hàng đầu. Mười bậc chia hai cảnh (năm rồi năm) để hình đủ lớn trên điện thoại (Quyết định 3).

Năm bậc sau nối tiếp bốn bậc đầu, từ bộ tham số trung bình đến bộ khuếch đại, và mở ra hai hướng đi

Bậc sáu đến mười nối vấn đề với cách giải; bậc cuối để lại hai hướng đi tiếp.

Mỗi bậc cho một cái đạt được (✓) và một vấn đề còn lại ("!"). Ở bậc cuối, dấu "!" mở ra hai hướng đi.

Xem lời đọc

Ta xem tiếp năm bậc sau. Đo đạc và khớp cho ra bộ tham số, nhưng chỉ ứng với một transistor trung bình. Góc quy trình và biến thiên đo độ chênh giữa các chip, nhưng mô hình chưa đến tay ta. PDK trao mô hình, có chuẩn và có tuổi, nhưng ta chưa tự chạy một mạch số. Mạch số chạy bằng máy cho trễ và công suất, nhưng mạch không chỉ có hai mức. Vùng dốc giúp một transistor khuếch đại tín hiệu nhỏ, và mở ra hai hướng đi tiếp.

Thang bậc: 6 trích tham số, 7 góc và biến thiên, 8 mô hình trong PDK (chuẩn, lão hóa), 9 mạch số, 10 khuếch đại. Hàng mười: "!" mở hướng, cùng dấu với c8. Dải năm bậc đầu thu nhỏ phía trên để đủ mười bậc.

Hai hướng đi tiếp, mô phỏng TCAD cho dữ liệu transistor và thiết kế chip số từ bản mô tả đến bản vẽ

Một hướng đi sâu vào vật lý transistor để lấy dữ liệu; hướng kia đi rộng ra cả chip số; cả hai dựa trên transistor và mô hình. Đây là dấu "!" cuối khóa.

Hướng một là TCAD (mô phỏng vật lý transistor) cho dữ liệu trích tham số. Hướng hai là thiết kế chip số, từ RTL đến GDSII.

Xem lời đọc

Giờ ta có hai hướng đi tiếp, cùng đứng trên transistor. Hướng thứ nhất là mô phỏng TCAD, tính transistor từ vật lý của chính nó. Dữ liệu từ TCAD có thể dùng để trích tham số cho mô hình compact. Hướng thứ hai là thiết kế chip số, đi từ bản mô tả bằng chữ đến bản vẽ chip. Trong hướng này, SPICE vẫn dùng để đo trễ và công suất của từng ô chuẩn. Cả hai hướng cùng dựa trên transistor và mô hình của nó.

RTL: bản mô tả mạch số bằng chữ; GDSII: tệp bản vẽ các lớp chip. Dữ liệu TCAD có thể thay dữ liệu đo khi chưa có transistor thật. Trong thiết kế ô chuẩn, SPICE đo trễ và công suất từng ô để lập bảng thư viện. Ở bậc cuối, dấu "!" là lời mời, không còn là vấn đề.
Số liệu