Luận án tiến sĩ Nghiên cứu thiết kế bộ ADC kiểu thanh ghi xấp xỉ liên tiếp công suất thấp sử dụng vật liệu điện tử hữu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIPHẠM THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ADC KIỂU THANH GHI XẤP XỈ LIÊN TIẾP CÔNG SUẤT THẤP SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ HỮU CƠ Chuyên ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ADC KIỂU THANH GHI XẤP XỈ LIÊN TIẾP CÔNG SUẤT THẤP SỬ DỤNG

VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ HỮU CƠ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM THANH HUYỀN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ADC KIỂU THANH GHI XẤP XỈ LIÊN TIẾP CÔNG SUẤT THẤP SỬ DỤNG

VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ HỮU CƠ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN VŨ THẮNG

2 TS PHẠM NGUYỄN THANH LOAN

HÀ NỘI – 2017

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trongbất kỳ công trình nào trước đây.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đượccảm ơn Các thông tin trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn gốc và theo đúng quyđịnh

Hà Nội, ngày 9 tháng 7 năm 2017

TS Phạm Nguyễn Thanh Loan

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn khoa học cho luận

án này là TS Nguyễn Vũ Thắng và TS Phạm Nguyễn Thanh Loan, ViệnĐiện tử – Viễn Thông, Đại học Bách khoa Hà Nội Những định hướng nghiêncứu và sự hỗ trợ đắc lực của các thầy cô là điều kiện quan trọng để tôi hoànthành luận án này

Tôi xin gửi tới các thành viên của nhóm nghiên cứu Vi mạch hữu cơ, đặcbiệt là TS Đào Thanh Toản, Đại học Giao thông Vận tải; Viện Khoa học

và Công nghệ tiên tiến Nhật bản (JAIST); Quỹ Phát triển khoa học và côngnghệ Quốc gia (NAFOSTED) – đề tài số 103.99-2013.13 và Trường ĐH Giaothông Vận tải – đề tài số T2016-ĐĐT-27 lòng biết ơn chân thành vì nhữngtrao đổi chuyên môn, hỗ trợ thí nghiệm và tài trợ một phần kinh phí cho quátrình nghiên cứu của tôi

Tôi dành những tình cảm và sự trân trọng để gửi tới bạn bè và đồngnghiệp trong Bộ môn Kỹ thuật điện tử, nơi tôi làm việc vì đã quan tâm, chia

sẻ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi

Cuối cùng, tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong giađình, những người đã tin tưởng và dành cho tôi những điều kiện tốt nhất cóthể trong hơn 4 năm qua Sự kiên nhẫn và lòng tin của những người thân yêu

là động lực để tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn trong công việc củamình

PHẠM THANH HUYỀN

Mục lục

Danh mục viết tắt iii

Danh mục ký hiệu v

Danh sách hình vẽ ix

Danh sách bảng xiii

Giới thiệu luận án 1

Chương 1 Tổng quan chung 8

1.1 Khảo sát các nghiên cứu về ADC 8

1.1.1 Giới thiệu chung về ADC 8

1.1.2 Các thông số cơ bản của ADC 13

1.1.3 Biểu đồ so sánh thông số của các loại ADC 15

1.2 Các hướng phát triển của lĩnh vực điện tử 18

1.2.1 Giới thiệu chung 18

1.2.2 Điện tử hữu cơ 20

1.3 Các nghiên cứu thiết kế mạch tích hợp hữu cơ 22

1.3.1 Các bước thiết kế mạch tích hợp 22

1.3.2 Các nghiên cứu đã công bố về mô hình hóa OTFT 24

1.3.3 Các nghiên cứu đã công bố về ADC hữu cơ 28

1.4 Đề xuất ứng dụng cho mạch SAR ADC hữu cơ 30

1.5 Kết luận chương 33

Chương 2 Xây dựng mô hình cho transistor màng mỏng hữu cơ

34 2.1 Giới thiệu OTFT 34

2.1.1 Cấu trúc của OTFT 34

2.1.2 Đặc tính điện của OTFT 36

i

2.2 Đề xuất cách thức mô hình hóa OTFT 38

2.2.1 Phân tích mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình tương đương của OTFT 38

2.2.2 Xét ảnh hưởng của các thông số lên đặc tuyến của OTFT 39

2.2.3 Cách thức mô hình hóa cho OTFT 42

2.3 Mô hình hóa cho p-OTFT pentacene và n-OTFT fullerene trên đế SOI 43 2.3.1 Chế tạo OTFT trên đế SOI 43

2.3.2 Kết quả mô hình hóa 45

2.4 Thiết kế và mô phỏng một số vi mạch hữu cơ kiểu bù 49

2.5 Kết luận chương 52

Chương 3 Nghiên cứu thiết kế mạch SAR ADC hữu cơ 53

3.1 Giới thiệu chung 53

3.1.1 Mục tiêu thiết kế 53

3.1.2 Sơ đồ khối 54

3.2 Thiết kế và mô phỏng các khối chính 59

3.2.1 Khối boostrap 59

3.2.2 Khối mạch so sánh 61

3.2.3 Mạch D flip-flop 65

3.2.4 Khối SAR logic 67

3.2.5 Khối DAC 68

3.2.6 Khối thanh ghi đầu ra 70

3.3 Kết quả mô phỏng mạch SAR ADC và thảo luận 70

3.4 Đánh giá ảnh hưởng của tham số đầu vào đối với mạch 72

3.4.1 Đặt vấn đề 72

3.4.2 Ảnh hưởng của nguồn điện áp cung cấp 73

3.4.3 Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu 74

3.4.4 Ảnh hưởng của tần số tín hiệu vào 76

3.5 Kết luận chương 78

Chương 4 Đề xuất giải pháp giảm thiểu công suất cho SAR ADC hữu cơ 79

4.1 Các giải pháp giảm công suất cho mạch SAR ADC 79

4.2 Đề xuất cấu trúc cho mạch D-FF 81

4.2.1 Sơ đồ mạch của một số loại DEDFF 82

4.2.2 So sánh kết quả mô phỏng các DEDFF 84

4.2.3 Kết quả mô phỏng SAR ADC sử dụng H-DEDFF 88

4.3 Đề xuất sử dụng OTFT điện áp làm việc thấp 89

4.3.1 Chế tạo p-OTFT với lớp điện môi cực cửa PVC trên đế dẻo 90

4.3.2 Kết quả mô hình hóa 91

4.4 Kết luận chương 93

Kết luận luận án 94

Tài liệu tham khảo 98

Phụ lục 1: Thiết lập hệ đo đặc tính điện của OTFT 111

Phụ lục 2: Thư viện khai báo cho p- và n-OTFT sử dụng vật liệu điện tử hữu cơ pentacene và fullerene trên đế SOI 116

Phụ lục 3: Thư viện khai báo cho p-OTFT với bán dẫn hữu cơ pen-tacene và điện môi cực cửa PVC trên đế dẻo 119

Danh mục viết tắt

ADC hay

Bộ chuyển đổi tương tự sangsố

DAC hay

Bộ chuyển đổi số sang tươngtự

flip-flop

D-FF điều khiển bằng haisườn xung nhịp

kiểu kim loại-oxit-bán dẫn

iv

Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

Transistor

Transistor hiệu ứng trườnghữu cơ

Identification

Nhận dạng bằng sóng vôtuyến

Register ADC

ADC thanh ghi xấp xỉ liêntiếp

flip-flop

D-FF điều khiển bằng mộtsườn xung nhịp

Danh mục ký hiệu

tiếp

def 0 Dark Fermi level position Vị trí mức fecmi tối

energy

Năng lượng kích thích độ linhđộng hiệu ứng trường

EN OB Effective Number Of Bit Số bit hiệu dụng

the substrate

Hằng số điện môi tương đốicủa chất nền

EP Si Relative dielectric constant of

the gate insulator

Hằng số điện môi của chấtcách điện cực cửa

bước chuyển đổi

thừa

GM IN Minimum density of deep

states

Mật độ nhỏ nhất của trạngthái trong

vi

Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

parameter

Tham số dòng điện rò khikhông phân cực

parameter

Tham số điều chế chiều dàikênh dẫn

SF DR Spurious Free Dynamic Range Dải động không nhiễu (không

T N OM Parameter measurement

nguồn

nguồn

V DSL Hole leakage current drain

voltage parameter

Tham số điện áp cực máng dodòng rò lỗ trống

V GSL Hole leakage current gate

voltage parameter

Tham số điện áp cực gốc dodòng rò lỗ trống

V M IN Convergence parameter Tham số hội tụ

V T O Zero-bias threshold voltage Điện áp ngưỡng 0

1 Thống kê các bài báo về 4 loại ADC điển hình theo thời gian,

nguồn [40] 41.1 Qúa trình số hóa tín hiệu tương tự 91.2 Cấu trúc điển hình của một bộ flash ADC [8] 10

1.4 Cấu trúc cơ bản của SAR ADC [8, 113] 121.5 Sơ đồ khối của pipelined ADC [47] 13

các loại ADC 16

fS(Hz) của các loại ADC 16

1.9 Một số ứng dụng của điện tử hữu cơ [116] 211.10 Các bước tạo ra mạch tích hợp theo từng giai đoạn: (a) Giai đoạn

1, (b) Giai đoạn 2 và (c) Giai đoạn 3 231.11 So sánh kết quả mô phỏng (nét liền) và giá trị đo (ký hiệu) trong

các nghiên cứu của (a) Torricelli [108] và (b) Chen [122] 261.12 So sánh kết quả mô phỏng (nét liền) và giá trị đo (vòng tròn)

trên đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra trong mô hình của Li

[61] 271.13 So sánh kết quả mô phỏng (nét liền) và giá trị đo (tam giác) trên

đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra trong mô hình của Kumar

[54] 271.14 So sánh kết quả mô phỏng (nét liền) và giá trị đo (ký hiệu) trên

đặc tuyến truyền đạt (trên) và đặc tuyến ra (dưới) trong mô hình

của Torricelli [107] cho loại p-OTFT (trái) và n-OTFT (phải) 281.15 Tần số và biên độ của các tín hiệu điện sinh điển hình [81, 89] 30

ix

1.17 Các nội dung chính thực hiện trong luận án 32

2.1 Cấu trúc và các kích thước hình học cơ bản của OTFT 35

2.2 Một số cấu trúc điển hình của OTFT: a) BGTC, b) BGBC, c) TGTC và d) TGBC 35

2.3 (a) Điện áp đặt lên các cực của p-OTFT và dòng tương ứng Một ví dụ về (b) Đặc tuyến truyền đạt và (c) Họ đặc tuyến đầu ra của một p-OTFT 36

2.4 Ảnh hưởng các thông số γ,α và m lên đặc tuyến truyền đạt (trái ) và đặc tuyến đầu ra (phải ) 40

2.5 Ảnh hưởng các thông số VF B và δ 41

2.6 Ảnh hưởng các thông số IOL, VDSL,VGSL, SIGMA0 41

2.7 Các bước mô hình hóa OTFT 42

2.8 Cấu trúc của OTFT, ký hiệu trong OPDK và wafer chế tạo các OTFT 44

2.9 Kết quả thực nghiệm (ô vuông) và mô phỏng (nét liền) (a) Đặc tuyến truyền đạt, (b) Đặc tuyến đầu ra của loại p-OTFT với bán dẫn hữu cơ pentacene 45

2.10 Kết quả thực nghiệm (ô vuông) và mô phỏng (nét liền) (a) Đặc tuyến truyền đạt, (b) Đặc tuyến đầu ra của loại n-OTFT với bán dẫn hữu cơ fullerene 45

2.11 Đặc tuyến truyền đạt (trái) và đặc tuyến đầu ra (phải ) theo các nghiên cứu (từ trên xuống dưới) của Marinov và các cộng sự [20, 48, 67], Li và các cộng sự [48, 61] và nghiên cứu này có bổ sung thêm sai số tại các điểm đo thực nghiệm 46

2.12 Đặc tuyến truyền đạt (trái) và đặc tuyến đầu ra (phải ) theo nghiên cứu của Torricelli và các cộng sự [107] (trên) và nghiên cứu này có bổ sung thêm sai số tại các điểm đo thực nghiệm (dưới) 47

2.13 (a) Đặc tuyến tần số và tần số cắt của hai loại OTFT và (b) Mối quan hệ giữa tần số cắt fc(Hz) và độ dài kênh dẫn L (µm) 49

2.15 (a) Sơ đồ mạch, (b) Đặc tuyến VTC và bảng chân lý, (c) Dạng

sóng của tín hiệu vào/ra của mạch INV 50

2.16 (a) Sơ đồ mạch và bảng chân lý, (b) Dạng sóng của tín hiệu vào/ra của mạch NOR 51

2.17 (a) Sơ đồ mạch và bảng chân lý, (b) Dạng sóng của tín hiệu vào/ra của mạch NAND 51

3.1 Lưu đồ thuật toán của SAR ADC N bit một đầu vào [47] 54

3.2 Ví dụ quá trình xác định đầu ra của SAR ADC 3 bit 55

3.3 Sơ đồ khối của SAR ADC vi sai [37] 56

3.4 Lưu đồ thuật toán của SAR ADC vi sai kiểu chuyển mạch tụ đơn điệu [63] 57

3.5 Cách xác định giá trị bit đầu ra theo (a) Thuật toán cơ bản và (b) Thuật toán chuyển mạch tụ đơn điệu [63] 58

3.6 Sơ đồ mạch của khối bootstrap 60

3.7 Dạng sóng đầu vào, xung clk và đầu ra của mạch bootstrap theo thời gian: cả chu kỳ 100 ms (trên) và khoảng thời gian 1, 25 ms (dưới ) 61 3.8 Sơ đồ mạch của khối so sánh kiểu động-lật 62

3.9 Dạng sóng từ trên xuống của: tín hiệu đầu vào vin và vip, xung nhịp đồng hồ clk, dạng sóng đầu ra outn và outp và tổng công suất P của cả mạch so sánh 63

3.10 (a) Các đầu vào của mạch: vip dạng tam giác, điện áp đỉnh-đỉnh là 100 mV, vin bằng 0 và xung nhịp tần số 2 kHz, biên độ 5 V và (b) Dạng sóng đầu ra outp và outn 64

3.11 Kết quả kiểm tra điều kiện overdrive vin được đặt bằng 500 mV, vip được đặt là dãy xung vuông có biên độ 510 mV 65

3.12 Sơ đồ mạch D-FF dạng chủ-tớ 66

3.13 Dạng sóng vào/ra và công suất tiêu thụ của mạch D-FF 67

3.14 Sơ đồ mạch của khối điều khiển SAR logic 67

3.15 Dạng sóng của các xung vào/ra khối SAR logic 68

3.16 Sơ đồ mạch của khối DAC 69

3.17 Sơ đồ mạch của khối thanh ghi đầu ra 70

3.18 Sơ đồ mạch SAR ADC hữu cơ 6 bit 71

3.19 Phổ tín hiệu tương tự tái tạo lại từ dãy bit đầu ra của mạch SAR

ADC 71

3.20 Phổ tần số của tín hiệu tương tự tái tạo lại tại các tần số lấy mẫu khác nhau 74

3.21 Mối quan hệ giữa (a) ENOB -fS-P, (b) SFDR-fS-P, (c) THD -fS và (d) FoM -fS 75

3.22 Mối quan hệ giữa (a) ENOB -f in-P, (b) SFDR-f in-P, (c) THD -f in và (d) FoM -fin 76

4.1 Cấu trúc cơ bản của: a) SEDFF và b) DEDFF 82

4.2 Cấu trúc (1): DEDFF cơ bản với TG và cổng logic 82

4.3 Cấu trúc (2) với các khóa điện tử toàn loại n-OTFT 83

4.4 Cấu trúc (3) với các khóa điện tử toàn loại p-OTFT 83

4.5 Cấu trúc (4) với các khóa điện tử loại n-OTFT và MUX dạng TG 84

4.6 Cấu trúc (5) với các khóa điện tử loại p-OTFT và MUX dạng TG 84

4.7 Dạng sóng của các đầu ra Q trong các cấu trúc từ (1) đến (5) 85

4.8 Sườn lên của Q trong các cấu trúc từ (1) đến (5) và xung nhịp clk 85

4.9 Sườn xuống của Qtrong các cấu trúc từ (1) đến (5) và xung nhịp clk 86

4.10 So sánh các thông số cơ bản giữa các cấu trúc từ (1) đến (5) 87

4.11 Dạng sóng vào/ra và công suất tiêu thụ của mạch H-DEDFF 88

4.12 So sánh các nghiên cứu theo các thông số: (a) Tần số lấy mẫu fS, (b) Số bit hiệu dụng ENOB, (c) Công suất tiêu thụ P (W) và (d) Hệ số năng lượng cho một bước chuyển đổi FoM 89

4.13 Mô tả quá trình sản xuất OTFT kênh P với chất điện môi cực cửa PVC 90

4.14 Đánh giá sai số cho mô hình được tạo ra bằng cách thêm các khoảng sai số trên dữ liệu thực nghiệm của đường đặc tuyến truyền đạt (a) và đặc tuyến đầu ra (b) 92

1.1 So sánh thông số của các loại ADC cơ bản 18

1.2 Thống kê một số nghiên cứu về mô hình hóa OTFT 25

1.3 Thống kê các nghiên cứu về ADC hữu cơ 29

2.1 Các thông số cơ bản của OTFT 48

3.1 Các thông số đầu vào của mạch SAR ADC 59

3.2 So sánh thông số của SAR ADC với các nghiên cứu khác 72

3.3 Kết quả mô phỏng tại các giá trị nguồn điện áp cung cấp khác nhau 73 3.4 Giá trị các thông số đầu vào được khuyến nghị cho mạch và thông số đầu ra tương ứng 77

3.5 Thống kê công suất tiêu thụ của các khối chính trong SAR ADC 78

4.1 Các thông số cơ bản của p-OTFT dùng PVC 92

xiii

Giới thiệu luận án

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong các hệ thống điện tử và hệ thống viễn thông, các tín hiệu có ý nghĩa thực

tế là tín hiệu tương tự nhưng quá trình xử lý tín hiệu chủ yếu lại được thựchiện trong mạch số Vì vậy, nhu cầu chuyển đổi qua lại giữa hai loại tín hiệunày là tất yếu và rất lớn Với vai trò là thành phần cơ bản trong hệ thống, bộchuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (Analog to Digital Converter – ADC ) đãđược nghiên cứu nhiều từ những năm 50 của thế kỷ trước [8, 84, 113, 115] vàđược sử dụng trong hầu hết các sản phẩm điện tử

Thêm vào đó, sự hình thành và phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp4.0 với các thành phần chính là hệ thống điều khiển-vật lý (Cyber-physical sys-tems – CPS ), mạng kết nối vạn vật (Internet of Things – IoT ) và điện toánđám mây chính là kết quả của sự phát triển các thiết bị thông minh có khảnăng kết nối không dây và tiêu thụ công suất thấp Điều này dẫn đến yêu cầubắt buộc cho các mạch ADC công suất thấp để giúp tiết kiệm năng lượng, giảmnhiệt tiêu tán, từ đó cho phép sử dụng các kỹ thuật đóng gói nhỏ gọn hơn và rẻtiền hơn Ngoài ra, ADC công suất thấp tiêu thụ năng lượng ít nên sẽ kéo dàithời gian sử dụng pin cho các thiết bị điện tử

Các kỹ thuật áp dụng cho ADC công suất thấp được cải tiến liên tục, chủyếu vì các lý do: Thứ nhất, sự phát triển của các thiết bị bán dẫn và các côngnghệ sản xuất mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC ) mới sẽ cho phép thiết kế

và chế tạo các mạch có cấu trúc mới, tối ưu hơn các mạch cũ Thứ hai, luôn cóyêu cầu không bao giờ ngừng với việc giảm công suất tiêu thụ của các mạch,việc này dẫn tới nhu cầu phát triển các mạch sử dụng năng lượng hiệu quả hơn

Do vậy, thiết kế mạch ADC công suất thấp là vấn đề nghiên cứu luôn thu hútđược nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Trong các cấu trúc ADC, mạchADC kiểu thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (Successive Approximation Register Analog

to Digital Converter – SAR ADC ) được sử dụng rộng rãi [8, 40, 84, 113]

1

Bên cạnh đó, trong thời gian gần đây các nghiên cứu và sản phẩm của điện

tử hữu cơ phát triển rất mạnh mẽ do có những tính chất đặc biệt như mỏng,nhẹ, dễ dàng uốn cong, sản xuất không cần nhiệt độ cao, có thể chế tạo bằngcách in mạch và thân thiện với môi trường [12, 21, 65, 88, 109] Thế hệ mạchđiện tử hoàn toàn mới này mở ra khả năng chế tạo những sản phẩm có thể dánlên mọi loại bề mặt hay có thể cấy ghép vào cơ thể của con người [30, 92, 103].Tuy điện tử hữu cơ đang chứng tỏ thế mạnh của mình ở những ứng dụng màđiện tử silicon truyền thống không thực hiện được nhưng vẫn còn tồn tại nhiềuhạn chế như thiếu mô hình đặc trưng, mật độ tích hợp thấp, độ ổn định kém,tần số hoạt động thấp và chưa tiết kiệm năng lượng [48, 118, 125] Vì vậy, lĩnhvực này cần rất nhiều sự đầu tư nghiên cứu

Xét ở khía cạnh chiến lược phát triển, Chính phủ Việt Nam đã đưa lĩnh vựcthiết kế IC và vật liệu mới vào danh sách các lĩnh vực mũi nhọn ưu tiên pháttriển cho đến năm 2020 [1] Vì vậy, có thể nói việc phát triển nghiên cứu IC nóichung và SAR ADC hữu cơ nói riêng là rất cần thiết

2 Mục tiêu của luận án:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu thiết kế vi mạch SAR ADC hữu cơ côngsuất thấp từ transistor màng mỏng hữu cơ đã được mô hình hóa dựa trên dữliệu đo đặc tính điện sau khi chế tạo thực tế

3 Nhiệm vụ của luận án

Xu hướng phát triển của điện tử hữu cơ đã rất rõ ràng, thể hiện ở số lượngnghiên cứu và sản phẩm mạch hữu cơ xuất hiện trên thực tế [77, 92, 97, 124].Tuy nhiên, ở góc độ thiết kế mạch thì việc thiếu các mô hình của linh kiện cơbản sẽ làm cho các nhà thiết kế gặp khó khăn rất lớn Do vậy, nhiệm vụ củaluận án là xác định mô hình phù hợp và xác định bộ thông số cho transistormàng mỏng hữu cơ (Organic Thin-Film Transistor – OTFT ) kênh P và kênh Ndựa trên kết quả đo thực nghiệm Các mô hình OTFT này được đưa vào thưviện của công cụ thiết kế chuyên dụng Tính đúng đắn của mô hình được chứngminh bằng cách mô phỏng một số mạch logic và mạch tương tự

Sau khi có mô hình của linh kiện cơ bản, luận án nghiên cứu thiết kế và môphỏng mạch SAR ADC công suất thấp có thể ứng dụng trong điện tử y sinh.Cuối cùng, luận án đề xuất các giải pháp để giảm thiểu công suất cho mạch

SAR ADC hữu cơ vừa thiết kế trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng của mạch

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nhiều phương pháp để thực hiện mục đích nghiên cứu Cụ thểlà:

+ Tìm hiểu và phân tích đặc tính điện của transistor màng mỏng hữu cơ đểlựa chọn mô hình phù hợp nhất với mục tiêu sử dụng mô hình cho thiết kế và

+ Đánh giá các thông số của mạch sau khi thiết kế để tìm cách cải tiến và

đề xuất cấu trúc tiết kiệm năng lượng nhất nhưng vẫn đảm bảo hiệu năng

5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hình 1 biểu diễn kết quả thống kê số lượng các bài báo về 4 loại ADC điển hình

từ nguồn [40], bao gồm flash ADC, sigma-delta ADC, pipelined ADC và SARADC, chi tiết về mỗi loại ADC này được trình bày trong Chương 1 Các biểu đồtrong hình 1 cho thấy tính đến hết năm 2016 số lượng nghiên cứu về SAR ADCtăng với tốc độ rất nhanh và vượt trội so với các nghiên cứu về ADC khác Điềunày thể hiện mức độ hấp dẫn của SAR ADC đối với các nhà nghiên cứu.Đối với nghiên cứu về mạch điện tử hữu cơ, hầu hết các phòng thí nghiệmmạnh trên thế giới đều trực tiếp sản xuất để thử nghiệm các mạch vì không cócông cụ để thiết kế hay mô phỏng mạch hữu cơ như đối với mạch vô cơ Có rấtnhiều các công cụ cho phép thiết kế vi mạch bán dẫn vô cơ phục vụ học thuật

và phục vụ sản xuất trong công nghiệp như Cadence, Hspice, Silvaco nhưngphần này tới nay mới chỉ có bộ OPDK (Organic Process Design Kit ) [126] doĐại học Minnesota, Hoa Kỳ phát triển cho thiết kế vi mạch hữu cơ Tuy nhiên,trong thư viện của OPDK hiện nay mới chỉ có một loại p-OTFT với vật liệu hữu

cơ P3HT và một loại transistor hiệu ứng trường (kiểu unipolar) với kênh dẫn làCNT (Carbon nanotube) Lý do của sự hạn chế số lượng này là sự phát triểncủa điện tử hữu cơ còn khá mới mẻ, hơn nữa vật liệu hữu cơ rất phong phú vàtính tùy biến cao [16, 22, 65, 114] nên việc xác định được mô hình thống nhất

1 SAR

51 flash 17

pipelined

21 sigma- delta

SAR

116 flash 226

pipelined

94 sigma- delta

2000-2010

505 SAR 119

flash

151 pipelined

62 sigma- delta

2011-2016

Trước năm

2011 - 2016

Hình 1: Thống kê các bài báo về 4 loại ADC điển hình theo thời gian, nguồn [40].

đặc trưng là điều rất khó Vì vậy cần thiết phải có các nghiên cứu chuyên sâutrong thời gian dài về mô hình hóa để bổ sung vào thư viện thiết kế

Xét ở góc độ thiết kế mạch, các nghiên cứu đã công bố cho thấy vi mạchhữu cơ còn nhiều hạn chế về hiệu năng [41, 71, 77], độ phức tạp [3, 28, 70] vàcông suất tiêu thụ [2, 66] Do đó, hướng nghiên cứu thiết kế các vi mạch hữu cơchắc chắn cần nhận được nhiều sự quan tâm của giới học thuật

Mặc dù có tầm quan trọng rất lớn vì được coi là ngành công nghiệp lõi nhưngnghiên cứu về IC nói chung và ADC nói riêng tại Việt nam còn ở mức độ rấtkhiêm tốn, các nghiên cứu trong nước công bố về ADC còn rất ít [5, 58, 74].Các cơ sở đào tạo chuyên sâu về vi mạch ở tại TP Hồ Chí Minh gồm Trung tâmNghiên cứu và Đào tạo Thiết kế Vi mạch (ICDREC) và Phòng thí nghiệm xử

lý tín hiệu số và hệ thống nhúng, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường ĐH Khoahọc Tự nhiên, ĐHQG, Tp HCM Tại Hà Nội có phòng thí nghiệm Vi mạch và

Hệ thống (BKIC), Trường ĐH Bách khoa Hà Nội; phòng thí nghiệm trọng điểm

Hệ thống tích hợp thông minh, Trường ĐH Công nghệ, ĐH Quốc gia Hà Nội;phòng thí nghiệm vi mạch chuyên dụng, Học viện Kỹ thuật quân sự và phòngnghiên cứu Vi mạch hữu cơ, ĐH Giao thông Vận tải Cùng lúc đó khối doanhnghiệp cũng đang có những bước phát triển mạnh mẽ cả về chiều rộng và chiềusâu với các đơn vị điển hình như công ty FSoft, tập đoàn FPT; Renesas ViệtNam; Microchip technology Vietnam hay Marvell Việt Nam

Điều này có nghĩa là hướng nghiên cứu về xây dựng mô hình cho linh kiện

và thiết kế vi mạch hữu cơ là hướng nghiên cứu mới, cần thiết và có nhiều cơhội phát triển

6 Đóng góp của luận án

Kết quả nghiên cứu và đóng góp của luận án được thể hiện ở các điểm sau:

1 Xây dựng thành công mô hình cho một số loại OTFT, bao gồm p-OTFT

và n-OTFT với vật liệu hữu cơ là pentacene và fullerene trên đế SOI icon on Insulator ) và p-OTFT với lớp điện môi cực cửa PVC (Poly(VinylCinnamate)) trên đế dẻo Việc mô hình hóa cho p-OTFT được thực hiệntrong nhiều nghiên cứu [43, 49, 60, 67] nhưng việc xây dựng mô hình choloại n-OTFT thì mới có ít nghiên cứu đề cập [107] Do đó, kết quả mà luận

(Sil-án đạt được rất có ý nghĩa vì nhờ thế việc thiết kế mạch kiểu bù cho cả hailoại transistor p- và n-OTFT mới được thực hiện

Với linh kiện vừa được mô hình hóa, tác giả luận án đã thiết kế và môphỏng thành công nhiều mạch tích hợp hữu cơ kiểu bù như: các cổng logic,

D flip-flop và mạch so sánh Kết quả mô phỏng cho thấy các mạch hoạtđộng đúng như lý thuyết

Kết quả được công bố trong các công trình: [C1], [C2] và [J4]

2 Thiết kế và mô phỏng thành công mạch SAR ADC hữu cơ kiểu bù côngsuất thấp Các cấu trúc điển hình của mạch ADC được phân tích và so sánhchi tiết để xác định loại phù hợp với vi mạch hữu cơ Mạch sau khi thiết kếđược khảo sát kỹ lưỡng để xác định dải giá trị đầu vào và giá trị tối ưu vềcông suất thấp mà vẫn đảm bảo hiệu năng Bằng việc khảo sát chi tiết cáccấu trúc ADC để lựa chọn loại phù hợp với linh kiện hữu cơ và có thể ứngdụng trong cảm biến y sinh, các thông số mà mạch SAR ADC được thiết

kế có tần số lấy mẫu cao gấp 4 lần và hệ số năng lượng cho một lần chuyểnđổi thấp hơn 8,7 lần so với các nghiên cứu tốt nhất trước đó

Kết quả được công bố trong các công trình: [J1], [J2], [J3] và [C4]

3 Đề xuất hai giải pháp giảm thiểu công suất cho mạch Một là, đề xuất cấutrúc tiết kiệm năng lượng cho D flip-flop, đó là cấu trúc D-FF điều khiểnhai sườn xung dạng lai, viết tắt là H-DEDFF, để nhờ đó giảm công suất cho

một sườn xung nhịp với cùng điều kiện mô phỏng Hai là, đề xuất sử dụng

mạch ban đầu, nghĩa là sẽ giảm được công suất tiêu tán toàn mạch

Kết quả được công bố trong các công trình: [C3] và [J4]

7 Bố cục của luận án

Nội dung chính của luận án được tổ chức thành các chương như sau:

Chương 1 giới thiệu về các loại ADC và kết quả khảo sát về ADC để thống

kê các thông số của chúng nhằm xác định loại ADC phù hợp nhất với tiêu chícông suất thấp Chương này cũng giới thiệu về điện tử hữu cơ và những nghiêncứu tiêu biểu đã công bố về mô hình hóa OTFT và về ADC hữu cơ để từ đóxác định chi tiết hơn những vấn đề còn tồn tại mà luận án cần giải quyết.Chương 2 trình bày cấu trúc và đặc tính điện cơ bản của OTFT Hai loạiOTFT kênh P và kênh N được sản xuất theo công nghệ SOI với số mẫu tươngứng là 48 và 24 transistor Sau đó tiến hành đo đặc tính điện để làm dữ liệu choquá trình mô phỏng bao gồm bộ giá trị thể hiện ở cả đặc tuyến truyền đạt và

họ đặc tuyến ra Việc sử dụng cả hai loại đường đặc tuyến sẽ làm quá trình môhình hóa phức tạp lên nhiều nhưng nó đảm bảo việc mô hình được tạo ra sẽ đặctrưng cho linh kiện Công cụ toán học OriginPro và công cụ mô phỏng OPDKđược sử dụng để phân tích vai trò, sự ảnh hưởng và xác định giá trị của tham

số trong mô hình Kết quả mô phỏng một số vi mạch hữu cơ kiểu bù cũng sẽđược trình bày trong chương này

Chương 3 trình bày chi tiết nghiên cứu thiết kế mạch SAR ADC từ linh kiện

đã được mô hình hóa trong Chương 2 Các mạch con đều được chạy thử và kiểmnghiệm riêng trước khi kết nối với toàn mạch Kết quả mô phỏng cho thấy mạch

đề xuất có các thông số có thể so sánh được với các nghiên cứu đã công bố trongcác tài liệu [2, 66, 71, 82] Đặc biệt là xét ở khía cạnh sử dụng năng lượng hiệuquả thì mạch đề xuất đã có kết quả tốt hơn Nhằm xác định dải giá trị đầu vàohợp lý cũng như tìm giá trị tối ưu trong dải đó, mạch SAR ADC được đánh giá

ở nhiều giá trị khác nhau của điện áp nguồn cung cấp, tần số lấy mẫu và tần

số tín hiệu vào Kết quả đạt được đã chứng minh rằng mạch sau khi thiết kế cóthể ứng dụng trong cảm biến tín hiệu điện tim hoặc điện não

Chương 4 của luận án tập trung tìm giải pháp giảm thiểu công suất cho

đương với việc tiết kiệm được hơn 27 % công suất tiêu thụ trong cùng điều kiệnđầu vào Với giải pháp lựa chọn linh kiện điện áp thấp, tác giả đề xuất sử dụngOTFT với vật liệu cách điện PVC thay choSiO2 ở nghiên cứu trước Tuy nhiên,giải pháp này chưa được thực hiện triệt để vì chưa có dữ liệu của n-OTFT, luận

án mới chỉ thực hiện xong mô hình hóa cho p-OTFT

Cuối cùng là phần kết luận chung sẽ tóm tắt lại những kết quả, đóng gópcủa nghiên cứu sinh trong luận án này cũng như là hướng phát triển trong tươnglai

Tổng quan chung

Mạch chuyển đổi tín hiệu ADC có rất nhiều loại, để xác định được loại tiêu thụcông suất thấp và có hiệu suất sử dụng năng lượng tốt cần thiết phải tiến hànhkhảo sát các nghiên cứu đã có Chương này của luận án sẽ giới thiệu cấu trúc

và so sánh các thông số chính giữa bốn loại ADC điển hình Hiện trạng và xuhướng phát triển của điện tử hữu cơ cũng sẽ được giới thiệu và phân tích Cuốicùng là phần phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã công bố về mô hình hóaOTFT và về ADC hữu cơ để từ đó xác định những thách thức mà luận án cóthể giải quyết

1.1 Khảo sát các nghiên cứu về ADC

1.1.1 Giới thiệu chung về ADC

Tín hiệu trong tự nhiên thường ở dạng tương tự, ví dụ như âm thanh, hình ảnhcòn tín hiệu được xử lý trong các hệ thống máy tính để lưu trữ, gia công haytruyền dẫn lại là tín hiệu ở dạng số Vì vậy, yêu cầu biến đổi qua lại giữa các tínhiệu dạng tương tự và dạng số là cực kỳ cần thiết Khối chuyển đổi tương tự/số(Analog-to-Digital Converter – ADC hay A/D ) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệutương tự thành tín hiệu số để đưa vào hệ thống xử lý số Sau khi được xử lý tạicác hệ thống số như bộ vi xử lý hay máy tính, các tín hiệu số cần được chuyểnđổi lại về thành tín hiệu tương tự để có thể tác động vào các hệ thống vật lý vàthể hiện ra bên ngoài, ví dụ tái tạo âm thanh hay hình ảnh, hay dùng vào việcđiều khiển sau đó, ví dụ dùng dòng điện tương tự để điều khiển vận tốc động

cơ Mạch thực hiện chức năng này chính là mạch chuyển đổi số sang tương tự(Digital-to-Analog Converter – DAC hay D/A) Trong luận án này, tác giả chỉtập trung nghiên cứu chi tiết về loại chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi tương tự/số biến đổi tín hiệu tương tự liên tục về thời gian

8

và biên độ thành tín hiệu số rời rạc cả về thời gian và biên độ Tín hiệu tương

tự đầu vào Vin được chuyển thành giá trị số N bit thông qua biểu thức 1.1:

và DN −1 là bit có trọng số lớn nhất (Most Significant Bit – MSB ) Giá trị điện

áp của LSB được tính theo biểu thức:

Tín hiệu tương tự là tín hiệu liên tục cả về thời gian và biên độ, sau khi qua

khối Lấy mẫu sẽ được rời rạc về thời gian, tức là chỉ xuất hiện ở những thời

điểm nhất định trong thời gian lấy mẫu Sau đó, tín hiệu này tiếp tục qua khối

Lượng tử hóa để được rời rạc về biên độ Cuối cùng, khối Mã hóa có nhiệm vụ

chuyển các giá trị mức rời rạc trên theo một dạng mã số nào đó, ví dụ như mã

nhị phân, mã Gray hay mã vòng Johnson

Trên thực tế dựa vào cấu trúc mạch, ADC được chia thành nhiều kiểu như

kiểu tốc độ cao (flash ADC ), kiểu thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR ADC ),

kiểu vi-tích phân (sigma-delta ADC ), kiểu ghép chuỗi (pipelined ADC ), kiểu so

sánh theo sườn (ramp ADC ), kiểu tích phân đa sườn (multi-slope ADC ),

Tuy nhiên, trong số đó, bốn loại đầu tiên là phổ biến nhất theo các tài liệu

[8, 69, 84, 113] nên luận án chỉ tập trung xem xét bốn loại ADC này

+ -

+ -

+ -



Vref

f S

Mạch điều chế sigma

Hình 1.2 mô tả cấu trúc cơ bản của một flash ADC Trong một bộ flash

ADC N bit có dãy (2N − 1) bộ so sánh để cùng so sánh tín hiệu đầu vào với tập

tất cả các giá trị điện áp tham chiếu tương ứng với tập các tổ hợp bit từ 000 1

đến 111 1 Nghĩa là, các bộ so sánh hoạt động đồng thời để xác định bộ giá trị

số đầu ra và vì thế tốc độ là ưu thế nổi trội nhất của loại ADC này Tuy nhiên,

thụ công suất lớn và tốn diện tích khi độ phân giải tăng Ví dụ, với độ phân giải

3 bit thì mạch cần 7 bộ so sánh và nếu độ phân giải lên 8 bit thì cần tới 255 bộ

so sánh Chính vì vậy, trên thực tế người ta thường thiết kế các bộ flash ADCvới độ phân giải từ (3 − 6 bit) và hoạt động ở dải tần số từ cỡ (M Hz − GHz)

* Sigma-delta ADC

Đây là loại ADC có khả năng đạt độ chính xác cao nhất nhờ sử dụng bộ lọc số

để loại bỏ sai số lượng tử Hình 1.3 mô tả cấu trúc cơ bản của một sigma-deltaADC Khối quan trọng nhất trong mạch là khối điều chế sigma-delta với cáckhối khuếch đại vi sai K (Delta), khối tích phân (Sigma), bộ so sánh (chính làADC 1 bit) và bộ DAC 1 bit

+ -

+ -

+ -



Vref

f S

Mạch điều chế sigma-delta

Hình 1.3: Cấu trúc điển hình của một mạch sigma-delta ADC bậc 1 [113].

Hình 1.3 biểu diễn kết cấu bên trong của mạch điều chế sigma-delta bậc 1,

số bậc là số cặp sigma và delta Tần số lấy mẫufS được đưa vào bộ so sánh còn

cao nhưng do mạch có cấu trúc phức tạp nên loại ADC này tiêu thụ năng lượngrất lớn khi độ phân giải tăng lên

* SAR ADC

Cấu trúc cơ bản của SAR ADC với một đầu vào được biểu diễn ở hình 1.4 Cáckhối chính bao gồm mạch lấy mẫu (Sample and Hold – S/H ), mạch so sánh,

mạch DAC, thanh ghi SAR logic và thanh ghi đệm cho các bit đầu ra So vớicác loại ADC khác thì SAR ADC có cấu trúc đơn giản nên nó có thể giảm thiểunăng lượng tiêu thụ Cùng với xu hướng của điện tử hiện đại là tạo ra các thiết

bị nhỏ gọn, dễ dàng mang theo và ít tiêu tốn năng lượng, SAR ADC ngày càngđược sử dụng rộng rãi

Clk Thanh ghi dịch N bit

Thanh ghi đầu ra

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của SAR ADC [8, 113].

* Pipelined ADC

Mạch pipelined ADC về thực chất là sự nối tiếp của nhiều mạch ADC để cóđược độ phân giải cao như mô tả trong hình 1.5 Theo phân tích mạch của cácloại ADC đề cập ở trên, khi cần độ phân giải cao cấu trúc mạch sẽ trở nên cồngkềnh nên nếu chia thành nhiều tầng ADC với độ phân giải thấp có thể sẽ tạo

ra được ADC vừa có độ phân giải cao mà độ phức tạp và công suất giảm bớt.Nghĩa là, bằng cách chia tầng, công việc thiết kế cho ADC sẽ đơn giản hơn vìchỉ phải thiết kế các ADC có độ phân giải thấp sau đó ghép lại

Trong cùng một cấu trúc pinelined có thể sử dụng nhiều loại ADC khácnhau Khi này mạch có thể phát huy tối đa ưu thế của mỗi loại ADC như tốc

độ, độ chính xác và tiết kiệm năng lượng tương ứng với loại flash, sigma-delta

và SAR ADC

+ -

+ -

+ -



Vref

f S

Mạch điều chế sigma-delta

Hình 1.5: Sơ đồ khối của pipelined ADC [47].

sigma-delta ADC10 bit có thể sẽ là một bộ chuyển đổi chính xác, tốc độ cao với

độ phân giải 13 bit

1.1.2 Các thông số cơ bản của ADC

Các thông số được sử dụng để so sánh giữa các loại ADC bao gồm công suất tiêuthụP (W ), tần số lấy mẫufS(Hz), số bithiệu dụng EN OB (bit)(Effective Num-ber Of Bit ), tỉ số tín hiệu trên nhiễu và suy hao SiNaD (dB ) (Signal to Noiseand Distortion ratio), dải động không nhiễu SFDR (dB) (Spurious Free Dy-namic Range), tổng suy hao do các thành phần hài THD (dB ) (Total HarmonicDistortion) và hệ số sử dụng năng lượng F oM (J/conv) (Figure of Merit )

* Công suất tiêu thụ P

Đây là tổng công suất mà toàn mạch sử dụng trong quá trình làm việc Giá trịnày càng nhỏ càng tốt vì điều đó có nghĩa mạch càng tiết kiệm năng lượng

* Tần số lấy mẫu fS

Thông số này thể hiện lượng mẫu mà tín hiệu đầu vào được ADC xử lý trong

những yếu tố quyết định độ chính xác của quá trình chuyển đổi Do vậy, giá trịnày càng lớn càng tốt

* ENOB và SiNaD

Theo phân tích lý thuyết trong tài liệu [8, 44], ENOB chính là độ phân giải thực

tế của ADC khi làm việc và được tính theo biểu thức sau:

EN OB (bit) = SiN aD (dB)− 1, 76

với SiNaD là thông số cho biết thông tin về nhiễu và năng lượng của cácthành phần hài xuất hiện trong phổ tần số của tín hiệu SiNaD là tỉ số của giátrị trung bình bình phương (root mean square – rms) của tín hiệu trên giá trịtrung bình của tổng bình phương (root sum square – rss) của tất cả các thànhphần phổ trong tín hiệu ngoại trừ thành phần một chiều

Biểu thức 1.4 cho thấy ENOB tỉ lệ tuyến tính với SiNaD, do vậy việc sửdụng cả hai thông số này trong cùng phép so sánh là không cần thiết Luận án

sẽ chỉ đánh giá ENOB với chú ý là giá trị lớn nhất của ENOB chính là độ phângiải mặc định theo thiết kế của ADC

* SFDR

SFDR là tỉ số của biên độ hiệu dụng của hài cơ bản và giá trị hiệu dụng củathành phần nhiễu lớn nhất trong dải tần số Nghĩa là, SFDR chỉ ra đặc tính củathành phần hài, nguyên nhân chính làm hẹp dải tần của mạch và vì thế thông

số này rất quan trọng SFDR càng lớn thì chất lượng của ADC càng cao

* THD

Xét ở khía cạnh suy hao, THD được định nghĩa là tỉ số của giá trị rms của tínhiệu cơ sở trên giá trị trung bình của giá trị rss của các thành phần hiệu dụngcủa tất cả các hài xuất hiện trong phổ tín hiệu bao gồm cả thành phần mộtchiều Tuy nhiên, do 5 thành phần hài đầu tiên có giá trị vượt trội so với cácthành phần hài khác nên chỉ cần tính cho 5 thành phần này là đủ và nói chungthì THD càng thấp càng tốt

* FoM

FoM được sử dụng để thể hiện năng lượng chuyển đổi bit theo tốc độ, tức là

là thông số được coi là có ý nghĩa nhất khi xét hiệu năng của một ADC vì nó

giới khoa học khi so sánh chất lượng của ADC [45, 69, 115] FoM được xác địnhtheo biểu thức sau:

F oM (J/conv) = P (W )

fS(Hz) × 2 ENOB (bit) (1.5)

khi giảm P

1.1.3 Biểu đồ so sánh thông số của các loại ADC

Trong luận án này, tác giả thống kê các nghiên cứu về bốn loại ADC thông dụng

đã giới thiệu ở trên dựa vào hai nguồn dữ liệu, bao gồm:

ADC trong các bài báo đăng trên nhiều tạp chí và hội nghị có uy tín, công

bố trong tài liệu [69]

. Thư viện số của IEEE tại địa chỉ http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp[40] sau khi đã loại trừ các nghiên cứu đã xuất hiện trong thống kê của Mur-mann

Mặc dù đây là hai nguồn thống kê chưa thực sự đầy đủ nhưng chúng chiếmđại đa số (hơn 90 %) các bài báo khoa học trên thế giới về lĩnh vực điện tử nên

có thể lấy làm dữ liệu điển hình [45] Các biểu đồ dưới đây là kết quả thống kêcủa các nghiên cứu từ các nguồn dữ liệu [40] và [69] có bổ sung thêm một sốnguồn khác mà sẽ được trích dẫn riêng

hiệu dụng ENOB của các loại ADC Biểu đồ này cho thấy SAR ADC có hai

(6 − 10 bit), trong khi nhóm còn lại có công suất lớn với độ phân giải (4 − 16 bit)

ADC có ENOB thấp nhất, chỉ (3 − 5 bit) ở dải công suất lớn hơn 1 mW

Xét về dải tần số làm việc, hình 1.7 thể hiện mối quan hệ giữa công suấttiêu thụP và tần số lấy mẫu fS SAR ADC có thể hoạt động ở dải tần rất rộng

theo tỉ lệ thuận với tần số Flash ADC chủ yếu là tập trung ở dải tần số hàngtrăm MHz đến vài chục GHz, trong khi sigma-delta và pipelined ADC lại chủyếu làm việc ở dải tần trung bình từ vài MHz đến vài GHz

1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 1.00E-01 1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0

ENOB (bit)

Flash Pipelined Sigma-Delta SAR

1.00E+02 1.00E+05 1.00E+08 1.00E+11

f S (Hz)

Flash Pipelined Sigma-Delta SAR

SAR, pipelined đến sigma-delta ADC Vì thông số FoM càng nhỏ càng tốt nênhình trên cũng cho thấy là loại SAR ADC và sigma-delta sử dụng năng lượng

lại có giá trị này khoảng (100 − 3000 fJ/conv)

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa EN OB (bit) và F oM (f J/conv) của các loại ADC.

Từ các biểu đồ trên có các nhận xét sau:

. Flash ADC có ưu thế vượt trội ở dải tần số cao nhưng cũng phải trả giá vềcông suất tiêu hao lớn và độ phân giải thấp

. Sigma-delta ADC thể hiện là bộ chuyển đổi có độ phân giải rất lớn, tức làđạt độ chính xác cao Tuy vậy, chúng cũng tiêu thụ năng lượng lớn giốngnhư loại flash

quả với các thông số ở mức trung bình

dải trung bình đến cao (4 − 16 bit) Cần chú ý là một số SAR ADC tiêu thụnăng lượng khá lớn, thậm chí hơn 1 mW, độ phân giải từ (4 − 8 bit) và hoạt

(Time Interleaved – TI ) Cấu trúc TI cho phép SAR ADC hoạt động ở dảitần số cực cao nên chúng phù hợp với các ứng dụng dải rộng.

Từ các biểu đồ và nhận xét trên, bảng 1.1 tổng kết theo dải giá trị để so sánhcác loại ADC, đây là kết quả khác nhiều so với các tài liệu trước đó [8, 69, 113].Bảng 1.1 cho thấy SAR ADC hiện nay không chỉ dùng trong ứng dụng côngsuất cực thấp mà còn xuất hiện ở các ứng dụng tốc độ rất cao hay độ phân giảilớn bên cạnh loại flash và sigma-delta ADC, đó chính là SAR-TI

Bảng 1.1: So sánh thông số của các loại ADC cơ bản.

Cao ( > 8)

Thấp − Cao ( 4 − 16)

(10 7

− 10 9 )

Tr.bình − Cao (10 6

− 10 9 )

Thấp − Cao (10 3

− 10 9 )

Thấp − Cao (10 2

− 10 1 )

Thấp − Cao (10 −6

− 10 0 )

Cực thấp − Cao (10 −9

− 10 0 )

F oM (f J/conv) Tr.bình− Cao

(10 2 − 10 4 )

Tr.bình − Cao (10 2 − 10 4 )

Thấp − Tr.bình (10 0 − 5 × 10 2 )

Thấp − Tr.bình (10 0 − 5 × 10 2 )

Từ đây trở về sau, trong luận án này thuật ngữ SAR ADC là để chỉ loại SAR

từ (5 − 10 bit), fS vài kHz và FoM khoảng vài chục nJ/conv

Tóm lại, xét theo khía cạnh tiết kiệm năng lượng thì rõ ràng SAR ADC làloại ADC có thể đạt mức tiêu thụ năng lượng ít nhất trong khi tần số lấy mẫu

và độ phân giải ở mức trung bình Vì vậy hiệu suất sử dụng năng lượng của loạiADC này đạt mức rất cao (thể hiện ở FoM rất thấp)

1.2 Các hướng phát triển của lĩnh vực điện tử

1.2.1 Giới thiệu chung

Diễn đàn kinh tế thế giới mới đây giới thiệu nghiên cứu của Bart Kolodziejczyk

về các hướng phát triển mới của điện tử trong tương lai [53] Đây là kết quả của

sự phát triển công nghệ nano và kỹ thuật vật liệu Như vậy, ngoài điện tử siliconkinh điển với gần 70 năm phát triển, lĩnh vực điện tử có thêm năm hướng pháttriển mới là điện tử 2-D, điện trở nhớ, điện tử spin, điện tử phân tử và điện tử

kỷ 20 và điều này đã đem lại cho các nhà sáng chế ra nó giải Nobel Vật lý năm

1956 Tuy nhiên, tới nay công nghệ bán dẫn silicon đang tiến dần tới giới hạnvới công nghệ tạo ra transistor kích thước vài nano mét Một số trở ngại lớn củacông nghệ này đang đẩy nhanh quá trình thoái trào của nó là chi phí sản xuấtlớn, tốc độ hạt dẫn trong silicon bị hạn chế, không thân thiện với môi trường vàkhông có tính mềm dẻo

* Điện tử 2-D Hướng phát triển này bắt nguồn từ phát hiện về graphene,một kiểu cấu trúc của carbon Các nguyên tử carbon trong graphene tạo ra mộtmạng tinh thể hai chiều với độ dày cỡ nguyên tử Năm 2010, giải Nobel vật lý

đã được trao cho Andre Geim và Konstantin Novoselov về những nghiên cứumang tính đột phá của họ với graphene [75, 76] Graphene được coi là siêu vậtliệu, có khả năng dẫn điện và nhiệt cực tốt, độ dẻo và bền cơ khí thì tốt hơnthép 150 lần Tuy nhiên, chi phí để tạo ra vật liệu này cực kỳ lớn nên chúnghướng tới các sản phẩm có đặc tính siêu việt chất lượng cao chứ không phải làcác sản phẩm có chi phí hợp lý

* Điện trở nhớ Điện trở nhớ (Memristor ) lần đầu tiên được giới thiệubởi Leon Chua vào năm 1971 [15] nhưng tới năm 2007 mới thực sự được quantâm sau khi nhóm nghiên cứu của Hewlett Packard [100] chứng minh được hiệuứng lưu giữ được thông tin của điện trở nhớ ngay cả khi mất nguồn điện trongđiều kiện nhất định ở kích thước nano Mạch điện được tạo ra từ memristor sẽcho phép tạo ra các bộ nhớ máy tính giống như bộ não người, nghĩa là nhanhhơn, an toàn hơn và hiệu suất cao hơn

* Điện tử spin Các đặc trưng của các thiết bị điện tử spin (Spintronics)

là có tính tổ hợp cao (điện tử học, từ học và quang tử), đa chức năng, thôngminh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và có khả nănglưu trữ thông tin cực lớn [7, 14]

* Điện tử phân tử Đây là một nhánh của công nghệ nano sử dụng điện

tử đơn phân tử để giảm thiểu kích thước [4, 64] Mặc dù có nhiều điểm chung

với điện tử hữu cơ nhưng mục tiêu ứng dụng của điện tử phân tử là ở các sảnphẩm kích thước đơn phân tử và chúng vẫn chưa trở thành sản phẩm thươngmại thực sự.

* Điện tử hữu cơ Transistor màng mỏng hữu cơ lần đầu tiên được giớithiệu vào năm 1986 trong nghiên cứu của A Tsumura và các cộng sự [110] Tuynhiên, chính sự phát triển của polyme dẫn và các ứng dụng của chúng mới thực

sự khiến OTFT có cơ hội được thực sự trở thành linh kiện điện tử tạo ra cácsản phẩm có các tính năng mà sản phẩm silicon trước đó không có Vì thế cácnghiên cứu về polyme dẫn của Alan J Heeger, Alan G MacDiarmid và HidekiShirakawa đã đem lại cho các ông giải Nobel hóa học năm 2000

Trong các hướng phát triển mới vừa giới thiệu ở trên, hướng điện tử bándẫn hữu cơ là hướng có sự phát triển mạnh mẽ nhất và đang có nhiều sản phẩmđược thương mại hóa nhất [22, 30, 77] Phần tiếp theo đây sẽ trình bày chi tiếthơn về hướng nghiên cứu này

1.2.2 Điện tử hữu cơ

Vật liệu hữu cơ là một vật liệu đầy hứa hẹn, đang dần thay thế cho vật liệu

vô cơ silicon trong các ứng dụng đòi hỏi diện tích rộng, tương thích với cơ thểsống, mềm dẻo, siêu mỏng, siêu nhẹ, chi phí sản xuất thấp và có thể in được[12, 30, 91, 92, 99, 127] Những đặc điểm trên cho phép các mạch điện tử hữu

cơ có tính linh hoạt rất cao và thậm chí có thể mặc được, cũng như là có thểdán lên mọi loại bề mặt hay cấy vào cơ thể sống để thuận tiện cho việc theo dõi

và kiểm soát trình trạng sức khỏe Ngoài ra, vì đặc tính mềm dẻo và có thể uốncong với bán kính cực nhỏ nên người ta còn ứng dụng vật liệu này để sản xuấtmàn hình cong, tấm pin mặt trời diện tích lớn và cuộn được hay thẻ nhận dạng

vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) siêu mỏng, xem minh họa trênhình 1.9

Tuy nhiên, sản phẩm điện tử hữu cơ hiện nay vẫn còn đang tồn tại nhữnghạn chế như là:

. Tuổi thọ ngắn: điều này tương tự như quá trình già hóa của sinh vật do cáchợp chất hữu cơ bị phân rã theo thời gian [27, 57]

. Độ linh động của điện tử và lỗ trống trong các loại vật liệu hữu cơ còn kháthấp, xấp xỉ 1 cm2/V s [12, 16, 89], do vậy dải tần số hoạt động còn hạn chế

LED chiếu sáng Điện tử siêu mỏng, siêu nhẹ RFID

Điện thoại uốn cong Đồng hồ thông minh Tấm pin mặt trời

Hình 1.9: Một số ứng dụng của điện tử hữu cơ [116].

. Điện áp làm việc cao do điện áp ngưỡng lớn [2, 18, 124]

. Chế tạo trên đế plastic để tăng tuổi thọ và độ linh động [33, 42, 97]

. Tìm các loại vật liệu hữu cơ tốt hơn, có độ linh động lớn hơn [65, 120, 121]

. Sử dụng các loại vật liệu lai để vừa có độ linh động cao trong khi vẫn giữđặc tính mềm dẻo [46]

Những thách thức chủ đạo cần có những đột phá là:

. Với quá trình sản xuất: kích thước đa dạng, tính đồng bộ cao và đặc tuyếnhóa được linh kiện cơ bản Hoàn thiện kỹ thuật in để đảm bảo chất lượngngay cả khi mật độ linh kiện lớn

. Với kiểu đóng gói: vỏ trong suốt mềm dẻo với chi phí thấp.

. Với vật liệu: cải thiện đặc tính điện, tăng độ ổn định, tăng độ linh động củahạt dẫn và có thể sản xuất đại trà được

. Phát triển quy định và tiêu chuẩn cho điện tử hữu cơ

Kết luận quan trọng nhất của Hiệp hội điện tử hữu cơ và điện tử in mạch(Organic and Printed Electronics Association – OE-A) trong tài liệu dự báophát triển lần thứ 7 [77] là: Điện tử hữu cơ và điện tử in được tự nó đã tạo

ra một ngành công nghiệp mới Tuy nhiên, ngành công nghiệp điện tử hữu cơcòn đang phát triển ở giai đoạn ban đầu, một số sản phẩm đã được thương mạinhưng phần nhiều vẫn còn đang được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm.Tóm lại, điện tử hữu cơ là xu hướng phát triển mới với nhiều lợi thế vượttrội mà điện tử vô cơ không có được nhưng kết quả nghiên cứu vẫn còn hạn chế

và chưa đầy đủ nên rất cần những nghiên cứu chuyên sâu

1.3 Các nghiên cứu thiết kế mạch tích hợp hữu cơ

1.3.1 Các bước thiết kế mạch tích hợp

Mục đích cuối cùng của các nhà thiết kế mạch nói chung và mạch hữu cơ nóiriêng là tạo ra mạch đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng dự kiến Tuy nhiêntùy thuộc vào điều kiện về công nghệ mà các bước thực hiện của quá trình này

có thể rất khác nhau như minh họa trong hình 1.10

Hình 1.10(a) thể hiện cách thiết kế đi từ chế tạo transisor để đo lấy thông số,dựa vào đó để thiết kế mạch và tạo layout trước khi chế tạo mạch Đây chính làgiai đoạn 1 khi các linh kiện cơ bản mới bắt đầu được tạo ra và chưa có mô hìnhđặc trưng Khi muốn việc thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng phần mềmchuyên dụng thì cần thiết phải xây dựng mô hình cho transistor Đây chính làgiai đoạn 2, được biểu diễn trong hình 1.10(b) Sau khi mạch được tạo ra có kếtquả đo thực nghiệm giống như kết quả đạt được trong quá trình mô phỏng, cócàng nhiều mạch chế tạo lần hai càng tốt, thì có thể coi thư viện của mô hìnhtransistor được kiểm chứng và đây chính là lúc có thể thiết kế mạch theo giaiđoạn 3 như hình 1.10(c)

Hiện nay, việc thiết kế vi mạch vô cơ phần lớn được thực hiện ở giai đoạn 3

vì thư viện tại các nút công nghệ đã được hoàn thiện và đi vào sản xuất đại trà

Hình 1.10: Các bước tạo ra mạch tích hợp theo từng giai đoạn: (a) Giai đoạn 1, (b)

Giai đoạn 2 và (c) Giai đoạn 3.

trong khi mạch hữu cơ đang ở giai đoạn phát triển Vì vậy, với mạch hữu cơ,một lượng lớn các mạch được thực hiện theo cách ở giai đoạn 1 [36, 41, 51] vàbắt đầu xuất hiện các nghiên cứu đi theo cách ở giai đoạn 2 [33, 124] và hiện naychưa có thư viện nào gắn với sản xuất được công bố nên giai đoạn 3 chưa thựchiện được Ngoài ra cũng có nhiều các nghiên cứu chỉ thực hiện một hay mộtvài trong số các bước trên, ví dụ như chỉ sản xuất linh kiện cơ bản [9, 35, 129],chế tạo mạch từ linh kiện cơ bản [71, 104], mô hình hóa khi có dữ liệu đo sausản xuất [48, 67, 119], thiết kế mạch từ mô hình [54, 125]

Bên cạnh đó, xét ở góc độ kỹ thuật thiết kế mạch, hiện nay rất nhiều mạchtích hợp hữu cơ được thiết kế và chế tạo bằng cách chỉ sử dụng một loại transistorkênh P [54, 66, 79, 82, 125] Lý do là p-OTFT có độ ổn định tốt hơn, độ linhđộng hạt dẫn cao hơn và hàng rào thế năng thấp hơn loại n-OTFT [124, 129].Mặc dù đã đạt được một số kết quả ban đầu, các mạch tích hợp hữu cơ cũng

hé lộ nhiều nhược điểm như là độ khuếch đại thấp, dải tần hẹp, tiêu hao côngsuất lớn và cấu trúc còn cồng kềnh [29, 66, 82]

Giải pháp được kỳ vọng nhiều nhất cho vấn đề trên là phát triển linh kiệnloại N [6, 73, 117] để có thể thiết kế mạch kiểu bù, kiểu tương tự như CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor ) trong bán dẫn silicon Khi đó