DSpace at VNU: Thiết kế bộ chuyển đổi số - tương tự 8 bít sử dụng công nghệ bán dẫn CMOS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN MẠNH PHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ 8 BÍT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BÁN DẪN CMOS Ngành: Công nghệ Điện tử- Viễn Thông Ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MẠNH PHƯƠNG

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ

8 BÍT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BÁN DẪN CMOS

Ngành: Công nghệ Điện tử- Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

MỤC LỤC

Trang phụ bìa Trang

Lời cam đoan 1

Mục lục Error! Bookmark not defined Danh mục các bảng 4

Danh mục các hình vẽ 5

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ 9

1.1 Giới thiệu: 9

1.2 Các thông số của bộ chuyển đổi số-tương tự 11

1.2.1 Độ phi tuyến vi phân (Differential Nonlinearity, DNL) 13

1.2.2 Độ phi tuyến tích phân (Integral Nonlinearity, INL) 14

1.2.3 Độ lệch không (Offset) 16

1.2.4 Lỗi gain (Gain Error) 17

1.2.5 Độ trễ (Latency) 18

1.2.6 Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (Signal-to-Noise Ratio, SNR) 18

1.2.7 Dải động (Dynamic Range, DR) 18

Chương 2 - CÁC KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ 19

2.1 Mã đầu vào số (Digital Input Code) 19

2.2 Kiến trúc chuỗi điện trở ( Resistor String) 19

2.3 Kiến trúc mạng thang điện trở R-2R ( R-2R Ladder Network) 20

2.4 Kiến trúc Steering dòng điện ( Current Steering) 22

2.5 DAC tỷ lệ điện tích (Charge Scaling DAC) 24

2.6 DAC tuần hoàn (Cyclic DAC) Error! Bookmark not defined 2.7 DAC đường ống (Pipeline DAC) Error! Bookmark not defined Chương 3 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CMOS Error! Bookmark not defined 3.1 Các quy trình sản xuất bán dẫn MOS cơ bản Error! Bookmark not defined 3.1.1 Ôxi hóa (Oxidation) Error! Bookmark not defined 3.1.2 Khuếch tán (Diffusion) Error! Bookmark not defined 3.1.3 Cấy ion (Ion Implantation) Error! Bookmark not defined 3.1.4 Lắng đọng (Deposition) Error! Bookmark not defined 3.1.5 Ăn mòn (Etching) Error! Bookmark not defined 3.1.6 Quang khắc (Photolithography) Error! Bookmark not defined 3.2 Transistor MOS Error! Bookmark not defined 3.2.1 Cấu trúc vật lý: Error! Bookmark not defined 3.2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản: Error! Bookmark not defined 3.3 Các linh kiện thụ động (Passive component) Error! Bookmark not defined 3.3.1 Tụ điện (Capacitor) Error! Bookmark not defined 3.3.2 Điện trở (Resistor) Error! Bookmark not defined 3.4 Layout mạch tích hợp Error! Bookmark not defined 3.4.1 Vấn đề matching: Error! Bookmark not defined 3.4.2 Layout transistor MOS: Error! Bookmark not defined 3.4.3 Layout điện trở: Error! Bookmark not defined 3.4.4 Layout tụ điện: Error! Bookmark not defined

Chương 4 - MÔ HÌNH THIẾT BỊ MOS Error! Bookmark not defined 4.1 Mô hình tín hiệu lớn (Large-Signal Modelling) Error! Bookmark not defined 4.2 Mô hình tín hiệu nhỏ (Small-Signal Modelling) Error! Bookmark not defined 4.2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ trong vùng tích cực Error! Bookmark not defined 4.2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ trong vùng triốt và cut-off Error! Bookmark not defined

4.3 Các mô hình MOS cao cấp (Advanced MOS Modelling) Error! Bookmark not defined

4.3.1 Các hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effects) Error! Bookmark not defined

4.3.2 Hoạt động subthreshold: Error! Bookmark not defined Chương 5 - THIẾT KẾ DAC Error! Bookmark not defined 5.1 Yêu cầu thiết kế Error! Bookmark not defined 5.2 Sơ đồ khối chức năng Error! Bookmark not defined 5.3 Thiết kế chi tiết của các khối Error! Bookmark not defined 5.3.1 Khối Logic Input Error! Bookmark not defined 5.3.2 Thanh ghi Error! Bookmark not defined 5.3.3 Khối điều khiển (Control Logic) Error! Bookmark not defined 5.3.4 Bộ lập mã thermometer Error! Bookmark not defined 5.3.5 Khối tạo dòng phân cực Error! Bookmark not defined 5.3.6 Khối tạo dòng DAC Error! Bookmark not defined 5.3.7 Khối driver Error! Bookmark not defined 5.3.8 Khối chuyển đổi dòng điện – điện áp Error! Bookmark not defined 5.3.9 Sơ đồ mạch điện, sơ đồ layout và kết quả mô phỏng của chip DAC Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined Phụ lục A Kí hiệu và mô hình của các phần tử mạch điện Error! Bookmark not defined

Phụ lục B Các mẫu vẽ thể hiện các lớp layout Error! Bookmark not defined Phụ lục C Các quy tắc layout của công nghệ CMOS 0.6μmError! Bookmark not defined

Phụ lục D Sơ đồ mạch điện và layout của các cổng logic Error! Bookmark not defined

Phụ lục E Nội dung các file mô phỏng Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.3-1 Tóm tắt một số đặc tính của các phần tử thụ độngcủa công nghệ CMOS

0.8μm Error! Bookmark not defined Bảng 5.1-1 Các chỉ định của bộ chuyển đổi số - tương tự Error! Bookmark not defined

Bảng 5.1-2 Các chỉ định định thời của bộ chuyển đổi số - tương tự Error! Bookmark not defined

Bảng 5.2-1 Chức năng của các tín hiệu điều khiển Error! Bookmark not defined Bảng 5.3.2-1 Hoạt động chức năng của RSFF Error! Bookmark not defined Bảng 5.3.3-1 Bảng chân lý của khối điều khiển Error! Bookmark not defined Bảng 5.3.4-1 Bảng chân lý của bộ lập mã Thermometer Error! Bookmark not defined

Bảng 5.3.9-1 Kết quả mô phỏng các chỉ định của DACError! Bookmark not defined

Bảng 5.3.9-2 Kết quả mô phỏng chỉ định định thời của DACở VDD=2,7V và 25oC

Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1-1 Giao diện giữa thế giới tương tự và bộ xử lý số 10

Hình 1.2-1 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi số - tương tự 11

Hình 1.2-2 Hàm truyền lý tưởng của bộ DAC 3 bit 12

Hình 1.2.1-1 Ví dụ về độ phi tuyến vi phân của bộ DAC 3 bit 13

Hình 1.2.1-2 Đặc tuyến DNL của bộ DAC 3 bit không lý tưởng 14

Hình 1.2.2-1 Cách xác định INL của bộ DAC 15

Hình 1.2.2-2 Ví dụ về INL của bộ DAC 15

Hình 1.2.2-3 Đặc tuyến INL của bộ DAC 3 bit không lý tưởng 16

Hình 1.2.3-1 Minh họa lỗi offset của bộ DAC 3 bit 17

Hình 1.2.4-1 Minh họa lỗi gain của bộ DAC 3 bit 17

Hình 2.2-1 (a) Bộ DAC chuỗi điện trở đơn giản (b) Sử dụng mảng chuyển mạch nhị phân để giảm dung kháng ký sinh ở đầu ra 20

Hình 2.3-1 Kiến trúc DAC mạng thang điện trở R-2R 21

Hình 2.3-2 Sử dụng chuyển mạch giả để bù điện trở chuyển mạch 22

Hình 2.4-1 Kiến trúc tổng quát của DAC steering dòng điện 22

Hình 2.4-2 DAC steering dòng điện sử dụng các nguồn dòngtrọng lượng nhị phân 23

Hình 2.4-3 (a) Đầu ra của bộ DAC steering dòng điện 3 bitvà (b) Đầu vào mã thermometer 23

Hình 2.5-1 (a) DAC tỉ lệ điện tích (b) Mạch tương đương với bit MSB=1,các bit khác bằng 0 24

Hình 2.6-1 Bộ chuyển đổi số-tương tự tuần hoàn Error! Bookmark not defined Hình 2.7-1 Bộ chuyển đổi số - tương tự đường ống Error! Bookmark not defined Hình 3-1 Phân loại công nghệ mạch tích hợp sử dụng chất bán dẫn silíc Error! Bookmark not defined

Hình 3.1-1 Wafer bán dẫn Error! Bookmark not defined Hình 3.1-2 Sự ôxi hóa Error! Bookmark not defined

Hình 3.1-3 Profile khuếch tán với (a) nguồn tạp chất vô hạnvà (b) nguồn tạp chất hữu

hạn Error! Bookmark not defined Hình 3.1-4 (a) Trước quy trình ăn mòn (b) Sau quy trình ăn mònError! Bookmark not defined

Hình 3.1-5 Các bước quang khắc cơ bản trong việc định hình lớp silíc đa tinh thể(a)

Phơi sáng (b) Develop (c) Ăn mòn (d) Loại bỏ chất cảm quang Error! Bookmark not defined

Hình 3.2-1 Cấu trúc vật lý của transistor MOS kênh n và kênh ptrong công nghệ giếng

n Error! Bookmark not defined Hình 3.2-2 Mặt cắt ngang của transistor kênh n với tất cả các cực được nối đất Error! Bookmark not defined

Hình 3.2-3 Mặt cắt ngang của transistor kênh n với v DS nhỏ vàv GS V T Error! Bookmark not defined

Hình 3.2-4 Khi v DS tăng cho đến khi v GD V T, kênh trở thành pinched off ở drain

Error! Bookmark not defined

Hình 3.2-5 Đặc tuyến i D v DScủa transistor MOS lí tưởng Error! Bookmark not defined

Hình 3.3-1 Các tụ điện MOS (a) Silíc đa tinh thể - ôxít – kênh (b) Silíc đa tinh thể -

ôxít – silíc đa tinh thể (c) Tụ MOS tích lũy (Accumulation MOS capacitor) Error! Bookmark not defined

Hình 3.3-2 Các cách khác nhau để tạo các tụ điện sử dụng các lớp kết nối có sẵn(a) Cấu trúc các bản cực theo chiều dọc(b) Cấu trúc các bản cực theo chiều ngang Error! Bookmark not defined

Hình 3.3-3 Các điện trở (a) điện trở khuếch tán (b) điện trở silíc đa tinh thể(c) điện trở

giếng n Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-1 Một số hiệu ứng hai chiều làm cho các kích thước của các phần tửcủa vi

mạch khác với các kích thước của các mask layout Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-2 Minh họa đối tượng A và đối tượng B được matching như thế nàovới sự có

mặt của đối tượng C Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-3 Các phần tử được đặt trong sự có mặt của một građien(a) Layout không

chung tâm đối xứng (b) Layout chung tâm đối xứng Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-4 Tụ điện ở (a) sẽ thay đổi giá trị khi các bản cực di chuyển Tụ điện ở (b) ít

nhạy cảm với sự di chuyển của các bản cực Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-5 Minh họa layout tụ điện sử dụng đa giác để xấp xỉ một hình trònđể tối thiểu

tỉ số chu vi trên diện tích Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-6 Kỹ thuật đường Yiannoulos để matching các tụ điện có tỉ sốkhông là số

nguyên Error! Bookmark not defined Hình 3.4-7 Ví dụ layout một transistor MOS Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-8 Ví dụ layout transistor MOS (a) đối xứng gương (b) PLI (c) hai transistor chia sẻ một source chung và được layout để đạt được cả PLI và common-centriod (d)

Layout thu gọn của (c) Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-9 Ví dụ layout (a) điện trở khuếch tán hoặc điện trở silíc đa tinh thểvà (b)

điện trở giếng Error! Bookmark not defined Hình 3.4-10 Dòng điện trong thanh dẫn điện Error! Bookmark not defined

Hình 3.4-11 Ví dụ layout của (a) tụ điện 2 lớp silíc đa tinh thể(b) tụ điện 3 lớp kim loại

Error! Bookmark not defined Hình 4.1-1 Quy ước dấu dương cho transistor MOS (a) kênh n và (b) kênh p Error! Bookmark not defined

Hình 4.1-2 Đặc tuyến ra của transistor MOS kênh n Error! Bookmark not defined Hình 4.1-3 Mô hình tín hiệu lớn của transistor MOS kênh n Error! Bookmark not defined

Hình 4.2-1 Mô hình tín hiệu nhỏ của transistor MOS trong vùng tích cực Error! Bookmark not defined

Hình 4.2-2 Mặt cắt của transistor MOS với các dung kháng tín hiệu nhỏ Error! Bookmark not defined

Hình 4.2-3 Mô hình RC phân tán cho transistor trong vùng triốt.Error! Bookmark not defined

Hình 4.2-4 Mô hình đơn giản cho transistor trong vùng triốt với VDS nhỏ Error! Bookmark not defined

Hình 4.2-5 Mô hình tín hiệu nhỏ của transistor trong vùng cut-off Error! Bookmark not defined

Hình 4.3-1 Mô hình transistor MOS kênh n với sự giảm độ linh động Error! Bookmark not defined

Hình 4.3-2 Dòng điện drain – đế bị gây ra bởi các cặp điện tử - lỗ trốngđược tạo bởi sự

iôn hóa do va chạm ở đầu cuối drain của kênh Error! Bookmark not defined.

Hình 5.1-1 Sơ đồ định thời cho ghi dữ liệu song song 76

Hình 5.2-1 Sơ đồ khối chức năng của bộ chuyển đổi số - tương tự Error! Bookmark not defined

Hình 5.2-2 Sơ đồ định thời cho việc ghi dữ liệu số vào thanh ghi đầu vào(I/P REG) và

thanh ghi DAC (DAC REG) Error! Bookmark not defined Hình 5.3.1-1 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của khối Logic InputError! Bookmark not defined

Hình 5.3.1-2 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của mạch logic_in Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.1-3 Đặc tuyến truyền đạt của trigơ Schmitt Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.1-4 Kết quả mô phỏng ngưỡng logic của mạch logic_inở VDD = 3V và VDD

= 5V Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.1-5 Kết quả mô phỏng đặc tính chuyển mạchcủa mạch logic_in ở VDD = 3V

Error! Bookmark not defined Hình 5.3.1-6 Sơ đồ layout của mạch logic_in Error! Bookmark not defined Hình 5.3.1-7 Sơ đồ layout của khối Logic Input Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-1 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của DFF1 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-2 Kết quả mô phỏng hoạt động của DFF1 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-3 Sơ đồ layout của DFF1 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-4 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của DFF2 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-5 Kết quả mô phỏng hoạt động của DFF2 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-6 Sơ đồ layout của DFF2 Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-7 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của thanh ghi đầu vào Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.2-8 Sơ đồ layout của thanh ghi đầu vào Error! Bookmark not defined Hình 5.3.2-9 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của thanh ghi 15bits Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.2-10 Sơ đồ layout của thanh ghi 15bits Error! Bookmark not defined Hình 5.3.3-2 Kết quả mô phỏng hoạt động của khối điều khiển Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.3-3 Sơ đồ layout của khối điều khiển Error! Bookmark not defined Hình 5.3.4-1 Tối thiểu hóa sử dụng bảng Karnaugh Error! Bookmark not defined Hình 5.3.4-2 Sơ đồ mạch của bộ lập mã Thermometer Error! Bookmark not defined Hình 5.3.4-3 Kết quả mô phỏng hoạt động của bộ lập mã Thermometer Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.4-4 Sơ đồ layout của bộ lập mã ThermometerError! Bookmark not defined

Hình 5.3.5-1 Sơ đồ mạch của khối tạo dòng phân cực (IBIAS) Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.5-2 Kết quả mô phỏng dòng IQ theo điện áp nguồn cung cấpcủa khối tạo

dòng phân cực Error! Bookmark not defined Hình 5.3.5-3 Sơ đồ layout của khối tạo dòng phân cực Error! Bookmark not defined Hình 5.3.6-1 Sơ đồ mạch của mạch tạo điện áp phân cực Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-2 Kết quả mô phỏng vòng hở của mạch tạo điện áp phân cực Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-3 Sơ đồ layout của mạch tạo điện áp phân cực Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-4 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của nguồn dòng Iunit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-5 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của nguồn dòng 16Iunit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-6 Sơ đồ layout của nguồn dòng Iunit Error! Bookmark not defined Hình 5.3.6-7 Sơ đồ layout của nguồn dòng 16Iunit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-8 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của khối nguồn dòng Current1x_group

Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-9 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của khối nguồn dòng Current16x_group

Error! Bookmark not defined Hình 5.3.6-10 Sơ đồ layout của khối nguồn dòng Current1x_group Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.6-11 Sơ đồ layout của khối nguồn dòng Current16x_group Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.7-1 Sơ đồ mạch driver của (a) nguồn dòng Iunit và (b) nguồn dòng 16Iunit

Error! Bookmark not defined Hình 5.3.7-2 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của Driver1x Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.7-3 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của Driver16x Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.7-4 Sơ đồ layout của driver cho nguồn dòng Iunit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.7-5 Sơ đồ layout của driver cho nguồn dòng 16Iunit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.7-6 Sơ đồ layout của Driver1x Error! Bookmark not defined Hình 5.3.8-1 Sơ đồ mạch của khối chuyển đổi dòng điện – điện áp Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.8-2 Sơ đồ mạch của mạch OAMP Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.8-3 Kết quả mô phỏng vòng hở của khối I/Vtrong trường hợp VOUT = VREF,

CL=100pF, RL=∞ Error! Bookmark not defined Hình 5.3.8-4 Sơ đồ layout của mạch OAMP Error! Bookmark not defined Hình 5.3.9-1 Sơ đồ toàn mạch của bộ chuyển đổi số - tương tự 8 bit Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-2 Sơ đồ chân ra của bộ chuyển đổi số - tương tự 8 bitError! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-3 Kết quả mô phỏng điện áp ra tương tự theo từ mã số đầu vàoở

VDD=3,3V, VREF=VDD/2,CL=100pF, RL=10kΩ Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-4 Kết quả mô phỏng thời gian thiết lập của điện áp ra tương tự ở VDD=5,5V,

VREF=VDD/2,CL=100pF, RL=10kΩ, D7-D0 thay đổi từ 00h tới FFh Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-5 Kết quả mô phỏng thời gian thiết lập của điện áp ra tương tự ở VDD=2,7V,

VREF=VDD/2,CL=100pF, RL=10kΩ, D7-D0 thay đổi từ 00h tới FFh Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-6 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của điện áp nguồn lên điện áp đầu ra tương

tự ở VDD=3,3V, VREF=VDD/2,VOUT=VREF, CL=100pF, RL=10kΩ Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-7 Kết quả mô phỏng dòng tiêu thụ của chip DAC ở VDD=3,3V và

VDD=5,5V (VREF=VDD/2,VOUT=VREF, CL=100pF, RL=∞) Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-8 Kết quả mô phỏng dòng tiêu thụ và điện áp đầu ra của chip DACở chế độ power-down (VDD=5,5V, nhiệt độ 105oC) Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-9 Kết quả mô phỏng chip DAC thoát khỏi chế độ power-down(VDD=5,5V,

VREF=VDD/2,VOUT=VREF, CL=100pF, RL=10kΩ) Error! Bookmark not defined Hình 5.3.9-10 Kết quả mô phỏng đặc tính định thời của DAC Error! Bookmark not defined

Hình 5.3.9-11 Sơ đồ layout của chip DAC 8 bit Error! Bookmark not defined.

Hình A-1 Kí hiệu của các phần tử mạch điện Error! Bookmark not defined.

Hình B-1 Các mẫu vẽ thể hiện các lớp layout……….130

Hình D1-1 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của cổng đảo Error! Bookmark not defined Hình D1-2 Sơ đồ layout của cổng đảo Error! Bookmark not defined Hình D2-1 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của cổng và đảo 2 đầu vào Error! Bookmark not defined

Hình D2-2 Sơ đồ layout của cổng và đảo 2 đầu vào Error! Bookmark not defined Hình D2-3 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của cổng và đảo 3 đầu vào Error! Bookmark not defined

Hình D2-4 Sơ đồ layout của cổng và đảo 3 đầu vào Error! Bookmark not defined Hình D3-1 Kí hiệu (a) và sơ đồ mạch (b) của cổng cộng đảo 2 đầu vào Error! Bookmark not defined

Hình D3-2 Sơ đồ layout của cổng cộng đảo 2 đầu vào Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Các bộ chuyển đổi dữ liệu cung cấp liên kết giữa thế giới thế giới tương tự và các hệ thống số và được thực hiện bởi các phương tiện là các mạch lấy mẫu, các bộ chuyển đổi tương tự - số và các bộ chuyển đổi số - tương tự Với sự tăng sử dụng tính toán và xử lý tín hiệu số trong các ứng dụng như xử lý ảnh, đo lường, điện tử tiêu dùng

và truyền thông, các hệ thống chuyển đổi dữ liệu ngày càng được mở rộng và phát triển

Mục tiêu của luận văn này là đưa ra một thiết kế cụ thể chip biến bổi số - tương

tự 8 bit trên công nghệ bán dẫn CMOS Nội dung của luân văn bao gồm 5 chương:

- Chương 1 Tổng quan về chuyển đổi số - tương tự

Trình bày vị trí, vai trò, các thông số của bộ chuyển đổi số - tương tự

- Chương 2 Các kiến trúc cơ bản của bộ chuyển đổi tương tự - số

Trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm của các kiến trúc của bộ chuyển đổi số - tương tự

- Chương 3 Tổng quan về công nghệ CMOS

Trình bày các kiến thức cơ bản của công nghệ bán dẫn CMOS cần thiết cho người thiết kế, đó là các quy trình sản xuất bán dẫn, cấu trúc và nguyên

lý hoạt động cơ bản của thiết bị bán dẫn CMOS, vấn đề layout mạch tích hợp

- Chương 4 Mô hình thiết bị MOS

Trình bày các mô hình của transistor MOS, là cơ sở cho việc tính toán và

mô phỏng mạch điện

- Chương 5 Thiết kế DAC

Phần này trình bày chi tiết các tính toán, kết quả mô phỏng và sơ đồ layout của chip DAC 8 bit theo kiến trúc steering dòng điện

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến sĩ Trần Quang Vinh, thầy đã giành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu để tác giả

có thể hoàn thiện bản luận văn này

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ

1.1 Giới thiệu:

Sự phát triển của xử lý tín hiệu số và tính toán số trong các hệ thống điện tử được mô tả là "thế giới trở nên số hơn mỗi ngày" So sánh với các mạch tương tự (analog circuit) cùng chức năng, các mạch số có khả năng chống nhiễu (noise) tốt hơn,

sự thay đổi của nguồn nuôi và công nghệ Mạch số cho phép thiết kế dễ dàng hơn, có khả năng tự động kiểm tra (test automation), và cho phép khả năng lập trình nhiều hơn Nhưng yếu tố cơ bản đã làm cho các mạch số và bộ xử lý số có mặt trong tất cả các mặt của cuộc sống là chất lượng (performance) vượt trội của các mạch số, là kết quả của sự tiến bộ của các công nghệ mạch tích hợp, nhất là công nghệ mạch tích hợp VLSI (VLSI – Very Large Scale Integration) Nó cho phép các mạch số thế hệ mới đạt được tốc độ cao hơn, tích hợp nhiều chức năng hơn trên chip, công suất tiêu tán thấp hơn, giá thành

rẻ hơn, v.v

Với những ưu điểm như vậy, mạch số ngày càng thay thế các mạch tương tự cùng chức năng Tuy nhiên, các mạch số không thể thay thế hoàn toàn được các mạch tương tự vì những yếu tố sau:

(1) Bản chất tín hiệu xảy ra trong tự nhiên là tương tự (analog)

(2) Con người nhận thức và nhớ được thông tin ở dạng tương tự

Hơn nữa, dưới tác động của trên môi trường truyền dẫn, tín hiệu số có thể bị suy giảm đến mức chúng trở thành so sánh được với nhiễu, lúc đó cần thiết phải xem chúng như các tín hiệu tương tự

Hình 1.1-1 Giao diện giữa thế giới tương tự và bộ xử lý số

Thế giới tương tự

Để bộ xử lý số có thể "giao tiếp" với thế giới tương tự, các mạch thu thập và tái tạo lại

dữ liệu phải được sử dụng Phía front end sử dụng các bộ chuyển đổi tương tự - số (ADCs) để thu thập và số hóa tín hiệu Phía back end sẽ sử dụng các bộ chuyển đổi số - tương tự (DACs) để thực hiện chức năng ngược lại, đó là tái tạo lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số Quá trình này được minh họa ở hình 1.1-1

Các giao diện chuyển đổi dữ liệu (data conversion interface) được ứng dụng nhiều trong các sản phẩm tiêu dùng cũng như các hệ thống chuyên dụng như là máy chơi đĩa

CD (compact disc player), máy quay, điện thoại, modem, và truyền hình độ phân giải cao (high-definition television: HDTV), hệ thống hiển thị hình ảnh trong y học, hệ thống xử lý tiếng nói, dụng cụ đo đạc, hệ thống điều khiển công nghiệp và rađa, v.v…

1.2 Các thông số của bộ chuyển đổi số-tương tự

Hình 1.2-1 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi số - tương tự

Hình 1.2-1 là sơ đồ khối của bộ chuyển đổi số-tương tự (Chú ý: đầu ra của bộ chuyển đổi số - tương tự có thể là điện áp hoặc dòng điện Ở đây, vì mục đích miêu tả các thông số của bộ chuyển đổi số - tương tự nên ta giả sử tín hiệu tương tự ở đầu ra là điện áp)

Mỗi từ mã N bit ở đầu vào bộ DAC, kí hiệu là D0,D1, ,D N1, được ánh xạ tới một giá trị điện áp tương tự v OUT v OUT được xác định như sau:

REF OUT FV

v 

trong đó:

REF

V là tín hiệu điện áp chuẩn

F là hệ số được xác định bởi giá trị của từ mã D,( 



 1

0 2

N i

i

N

D F

Ví dụ bộ D/A 3 bit, với D=100(2)=4(10) và V REF=5V thì

8

4 2

100 3

2 



V FV

Hình 1.2-2 Hàm truyền lý tưởng của bộ DAC 3 bit

Hình 1.2-2 là đồ thị hàm truyền của bộ DAC 3 bit (Digital input code: mã đầu vào số, Ideal output voltage increment: độ chênh lệch điện áp ra lý tưởng của hai từ mã liên tiếp nhau, Ideal slope: độ dốc lý tưởng) Ở đây giá trị trục tung được chuẩn hóa theo V REF. Ta thấy rằng đồ thị hàm truyền của bộ DAC là tập hợp các điểm rời rạc bởi

vì đầu vào là các từ mã với bản chất là tín hiệu rời rạc

Điện áp đầu ra của bộ DAC luôn nhỏ hơn giá trị V REF, giá trị lớn nhất, còn được gọi là

điện áp toàn thang (Full scale voltage: V FS) được xác định theo biểu thức sau:

REF N N

Bit ít ý nghĩa nhất (Least significant bit: LSB) là bit ngoài cùng bên phải của từ mã và

được kí hiệu là D0 LSB xác định lượng thay đổi nhỏ nhất có thể của điện áp đầu ra tương tự 1 LSB được xác định như sau:

N REF

V LSB

2

Ví dụ với bộ D/A 3 bit có V REF = 5V thì 1LSB=5/8=0,625V