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

• Tác giả: Phạm Thanh Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Thắng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ ADC kiểu thanh ghi xấp xỉ liên tiếp công suất thấp sử dụng vật liệu điện tử hữu cơ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm cơ bản
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADC VÀ ĐIỆN TỬ HỮU CƠ
• 2.1. Khảo sát các nghiên cứu về ADC
• 2.2. Giới thiệu chung về ADC
• 2.3. Các thông số cơ bản của ADC
• 2.4. Biểu đồ so sánh thông số của các loại ADC
• 2.5. Các hướng phát triển của lĩnh vực điện tử
• 2.5.1. Giới thiệu chung
• 2.5.2. Điện tử hữu cơ
• 2.5.3. Các nghiên cứu thiết kế mạch tích hợp hữu cơ
• 2.5.4. Các bước thiết kế mạch tích hợp
• 2.5.5. Các nghiên cứu đã công bố về mô hình hóa OTFT
• 2.5.6. Các nghiên cứu đã công bố về ADC hữu cơ
• 2.5.7. Đề xuất ứng dụng cho mạch SAR ADC hữu cơ
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO TRANSISTOR MÀNG MỎNG HỮU CƠ
• 3.1. Giới thiệu OTFT
• 3.2. Cấu trúc của OTFT
• 3.3. Đặc tính điện của OTFT
• 3.4. Đề xuất cách thức mô hình hóa OTFT
• 3.5. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình tương đương của OTFT
• 3.6. Xét ảnh hưởng của các thông số lên đặc tuyến của OTFT
• 3.7. Cách thức mô hình hóa cho OTFT. Mô hình hóa cho p-OTFT pentacene và n-OTFT fullerene trên đế SOI
• 3.8. Chế tạo OTFT trên đế SOI
• 3.9. Kết quả mô hình hóa
• 3.10. Thiết kế và mô phỏng một số vi mạch hữu cơ kiểu bù
• 3.11. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH SAR ADC HỮU CƠ
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.2. Mục tiêu thiết kế
• 4.3. Thiết kế và mô phỏng các khối chính
• 4.3.1. Khối mạch so sánh
• 4.3.2. Mạch D flip-flop
• 4.3.3. Khối SAR logic
• 4.3.4. Khối thanh ghi đầu ra
• 4.3.5. Kết quả mô phỏng mạch SAR ADC và thảo luận
• 4.4. Đánh giá ảnh hưởng của tham số đầu vào đối với mạch
• 4.4.1. Ảnh hưởng của nguồn điện áp cung cấp
• 4.4.2. Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu
• 4.4.3. Ảnh hưởng của tần số tín hiệu vào
• 4.5. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU CÔNG SUẤT CHO SAR ADC HỮU CƠ
• 5.1. Các giải pháp giảm công suất cho mạch SAR ADC
• 5.2. Đề xuất cấu trúc cho mạch D-FF
• 5.3. Sơ đồ mạch của một số loại DEDFF
• 5.4. So sánh kết quả mô phỏng các DEDFF
• 5.5. Kết quả mô phỏng SAR ADC sử dụng H-DEDFF
• 5.6. Đề xuất sử dụng OTFT điện áp làm việc thấp
• 5.7. Chế tạo p-OTFT với lớp điện môi cực cửa PVC trên đế dẻo
• 5.8. Kết quả mô hình hóa
• 5.9. Kết luận chương
• PHỤ LỤC 1: THIẾT LẬP HỆ ĐO ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA OTFT
• 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
• PHỤ LỤC 3: THƯ VIỆN KHAI BÁO CHO P-OTFT VỚI BÁN DẪN HỮU CƠ PENTACENE VÀ ĐIỆN MÔI CỰC CỬA PVC TRÊN ĐẾ DẺO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về ADC công suất thấp và vật liệu điện tử hữu cơ

Luận án tập trung vào thiết kế bộ ADC công suất thấp sử dụng vật liệu điện tử hữu cơ, một hướng nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực điện tử. ADC công suất thấp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống IoT và thiết bị y sinh, nơi tiết kiệm năng lượng là yêu cầu hàng đầu. Vật liệu điện tử hữu cơ mang lại lợi thế về tính linh hoạt, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Luận án đề cập đến các thách thức trong việc thiết kế ADC sử dụng vật liệu hữu cơ, bao gồm độ ổn định và tần số hoạt động thấp.

1.1. Tổng quan về ADC công suất thấp

ADC công suất thấp là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị di động và hệ thống IoT. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. SAR ADC là cấu trúc được ưa chuộng nhờ khả năng cân bằng giữa hiệu suất và công suất tiêu thụ. Luận án phân tích các thông số cơ bản của ADC như ENOB, SFDR, và FoM, đồng thời so sánh hiệu suất của các loại ADC khác nhau.

1.2. Vật liệu điện tử hữu cơ và ứng dụng

Vật liệu điện tử hữu cơ như pentacene và fullerene được sử dụng để chế tạo OTFT, mang lại khả năng uốn cong và chi phí sản xuất thấp. Luận án nhấn mạnh tiềm năng của công nghệ điện tử hữu cơ trong các ứng dụng y sinh và thiết bị đeo. Tuy nhiên, việc thiếu các mô hình chính xác cho OTFT là rào cản lớn trong thiết kế mạch. Luận án đề xuất phương pháp mô hình hóa OTFT dựa trên dữ liệu thực nghiệm để hỗ trợ thiết kế ADC.

II. Thiết kế và mô phỏng SAR ADC hữu cơ

Luận án trình bày quy trình thiết kế bộ ADC sử dụng vật liệu điện tử hữu cơ, từ việc mô hình hóa OTFT đến thiết kế các khối chính của SAR ADC. Các khối như mạch so sánh, D flip-flop, và SAR logic được thiết kế và mô phỏng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy SAR ADC hữu cơ đạt được ENOB và FoM tương đương với các thiết kế truyền thống, đồng thời tiêu thụ công suất thấp hơn.

2.1. Mô hình hóa OTFT

Luận án đề xuất phương pháp mô hình hóa OTFT dựa trên dữ liệu đo đặc tính điện từ các mẫu thực nghiệm. Các thông số như độ linh động, điện áp ngưỡng và dòng rò được xác định để xây dựng mô hình tương đương. Mô hình này được tích hợp vào công cụ thiết kế để hỗ trợ mô phỏng các mạch logic và tương tự. Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao so với dữ liệu thực nghiệm.

2.2. Thiết kế các khối chính của SAR ADC

Các khối chính của SAR ADC bao gồm mạch so sánh, D flip-flop, và SAR logic được thiết kế sử dụng OTFT. Luận án phân tích ảnh hưởng của các thông số đầu vào như điện áp nguồn và tần số lấy mẫu đến hiệu suất của ADC. Kết quả mô phỏng cho thấy SAR ADC hữu cơ đạt ENOB 6 bit với công suất tiêu thụ thấp, phù hợp cho các ứng dụng y sinh và IoT.

III. Tối ưu hóa và ứng dụng của SAR ADC hữu cơ

Luận án đề xuất các giải pháp tối ưu hóa ADC để giảm thiểu công suất tiêu thụ, bao gồm việc sử dụng OTFT điện áp thấp và cải tiến cấu trúc D flip-flop. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các giải pháp này trong việc cải thiện FoM và giảm năng lượng tiêu thụ. SAR ADC hữu cơ được đánh giá là có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y sinh, nơi yêu cầu về công suất thấp và tính linh hoạt cao.

3.1. Giải pháp giảm công suất tiêu thụ

Luận án đề xuất sử dụng OTFT điện áp thấp và cải tiến cấu trúc D flip-flop để giảm công suất tiêu thụ của SAR ADC. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các giải pháp này trong việc cải thiện FoM và giảm năng lượng tiêu thụ. Cấu trúc H-DEDFF được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất và công suất tiêu thụ.

3.2. Ứng dụng trong điện tử y sinh

SAR ADC hữu cơ được đánh giá là có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y sinh, nơi yêu cầu về công suất thấp và tính linh hoạt cao. Luận án đề xuất sử dụng ADC này trong các thiết bị đo tín hiệu điện tim và điện não, mang lại hiệu suất cao và chi phí thấp.