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 chí công suất thấp. Chương này cũng giới thiệu về điện tử hữu cơ và những nghiên cứu tiêu biểu đã công bố về mô hình hóa OTFT và về ADC hữu cơ để từ đó xác 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 loại OTFT kênh P và kênh N được sản xuất theo công nghệ SOI với số mẫu tương ứng là 48 và 24 transistor.
Sau đó tiến hành đo đặc tính điện để làm dữ liệu cho quá 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 mô hình hóa phức tạp lên nhiều nhưng nó đảm bảo việc mô hình được tạo ra sẽ đặc trưng cho linh kiện. Công cụ toán học OriginPro và công cụ mô phỏng OPDK được 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 sẽ được 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 kiểm nghiệm 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 trong các tài liệu [2, 66, 71, 82]. Đặc biệt là xét ở khía cạnh sử dụng năng lượng hiệu quả thì mạch đề xuất đã có kết quả tốt hơn.
Nhằm xác định dải giá trị đầu vào hợp 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 có thể 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 7 mạch đã thiết kế. Với giải pháp tối ưu hóa cấu trúc mạch, tác giả đề xuất cấu trúc mới cho D flip-flop, gọi là H-DEDFF.
Lý do lựa chọn D-FF để cải tiến là vì các phần tử này làm tiêu tán tới gần 37 % tổng công suất của toàn mạch. Vì vậy, nếu giảm được công suất tiêu thụ của D-FF thì tổng công suất của mạch sẽ giảm đáng kể. Kết quả mô phỏng đã cho thấy với cấu trúc được đề xuất, mạch SAR ADC đã giảm công suất tiêu thụ từ 443, 4 µW xuống còn 312, 6 µW , tương đương với việc tiết kiệm được hơn 27 % công suất tiêu thụ trong cùng điều kiện đầu vào. Với giải pháp lựa chọn linh kiện điện áp thấp, tác giả đề xuất sử dụng OTFT với vật liệu cách điện PVC thay cho SiO2 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 góp của nghiên cứu sinh trong luận án này cũng như là hướng phát triển trong tương lai. Chương 1 Tổng quan chung Mạch chuyển đổi tín hiệu ADC có rất nhiều loại, để xác định được loại tiêu thụ công suất thấp và có hiệu suất sử dụng năng lượng tốt cần thiết phải tiến hành khảo 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 xu hướng phát triển của điện tử hữu cơ cũng sẽ được giới thiệu và phân tích. Cuối cùng là phần phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã công bố về mô hình hóa OTFT và về ADC hữu cơ để từ đó xác định những thách thức mà luận án có thể giải quyết. Khảo sát các nghiên cứu về ADC 1. Giới thiệu chung về ADC Tín hiệu trong tự nhiên thường ở dạng tương tự, ví dụ như âm thanh, hình ảnh còn tín hiệu được xử lý trong các hệ thống máy tính để lưu trữ, gia công hay truyền dẫn lại là tín hiệu ở dạng số.
Vì vậy, yêu cầu biến đổi qua lại giữa các tín hiệu 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 hiệu tương tự thành tín hiệu số để đưa vào hệ thống xử lý số. Sau khi được xử lý tại các hệ thống số như bộ vi xử lý hay máy tính, các tín hiệu số cần được chuyển đổi lại về thành tín hiệu tương tự để có thể tác động vào các hệ thống vật lý và thể hiện ra bên ngoài, ví dụ tái tạo âm thanh hay hình ảnh, hay dùng vào việc điều 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 chỉ tập 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 9 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) X = Dout + Qe = Di × 2i + Qe Vref i=0 Trong đó, Vref là giá trị điện áp tham chiếu, Dout là tín hiệu số đầu ra, Qe là sai số lượng tử hóa. D0 là bit có trọng số nhỏ nhất (Least Significant Bit – LSB ) 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: Vref FS 1 LSB = = (1.2) 2N 2N − 1 với FS (full-scale) là giá trị toàn thang. FS là giá trị điện áp lớn nhất của đầu ra tương tứng với giá trị lớn nhất có thể chuyển đổi được của đầu vào. Biểu thức số tương ứng với FS chính là 111. Giá trị của FS được tính bằng biểu thức 1.3: 2N − 1 F S = Vref − 1 LSB = × Vref (1.3) 2N Quá trình chuyển đổi tương tự/số được mô tả chi tiết trong hình 1.1 với đầu vào là tín hiệu tương tự và đầu ra là dãy tín hiệu số.1: Qúa trình số hóa tín hiệu tương tự.
10 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. * Flash ADC Vin Vref- R + - C2N-1 …. Bộ mã hóa R + - Dout R + C3 N bit ….2: Cấu trúc điển hình của một bộ flash ADC [8].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.
Nghĩa là, các bộ so sánh hoạt động đồng thời để xác định bộ giá trị Sửa … … 11 số đầu ra và vì thế tốc độ là ưu thế nổi trội nhất của loại ADC này. Tuy nhiên, do số lượng bộ so sánh sử dụng tăng mạnh khi số bit lớn nên flash ADC tiêu 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 ADC với độ phân giải từ (3 − 6 bit) và hoạt động ở Bộ dảisotần 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.3 mô tả cấu trúc cơ bản của một sigma-delta ADC. Khối quan trọng nhất trong mạch là khối điều chế sigma-delta với các khối khuếch đại vi sai K (Delta), khối tích phân (Sigma), bộ so sánh (chính là ADC 1 bit) và bộ DAC 1 bit. fS Vin + - K 1-bit fD ADC Bộ lọc số Bộ giảm Dout Vref mẫu … N bit 1-bit DAC Mạch điều chế sigma-delta Hình 1.3: Cấu trúc điển hình của một mạch sigma-delta ADC bậc 1 [113].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 mẫu fS được đưa vào bộ so sánh còn tần số fD là tốc độ đọc dữ liệu ra của bộ giảm mẫu.
Mặc dù có độ chính xác Sửamạch cao nhưng do lỗi sốcó cấu trúc phức tạp nên loại ADC này tiêu thụ năng lượng … … rất 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. Các khối chính bao gồm mạch lấy mẫu (Sample and Hold – S/H ), mạch so sánh, 12 mạch DAC, thanh ghi SAR logic và thanh ghi đệm cho các bit đầu ra. So với các loại ADC khác thì SAR ADC có cấu trúc đơn giản nên nó có thể giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.