MỞ ĐẦU Các bộ chuyển đổi dữ liệu cung cấp liên kết giữa thế giới thế giới tƣơng tự và các hệ thống số và đƣợc thực hiện bởi các phƣơng tiện là các mạch lấy mẫu, các bộ chuyển đổi tƣơng tự - số và các bộ chuyển đổi số - tƣơng tự. Với sự tăng sử dụng tính toán và xử lý tín hiệu số trong các ứng dụng nhƣ xử lý ảnh, đo lƣờng, điện tử tiêu dùng và truyền thông, các hệ thống chuyển đổi dữ liệu ngày càng đƣợc mở rộng và phát triển. Mục tiêu của luận văn này là đƣa ra một thiết kế cụ thể chip biến bổi số - tƣơng tự 8 bit trên công nghệ bán dẫn CMOS. Nội dung của luân văn bao gồm 5 chƣơng: - Chƣơng 1 Tổng quan về chuyển đổi số - tƣơng tự Trình bày vị trí, vai trò, các thông số của bộ chuyển đổi số - tƣơng tự - Chƣơng 2 Các kiến trúc cơ bản của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số Trình bày sơ đồ, nguyên lý hoạt động, các ƣu nhƣợc điểm của các kiến trúc của bộ chuyển đổi số - tƣơng tự - Chƣơng 3 Tổng quan về công nghệ CMOS Trình bày các kiến thức cơ bản của công nghệ bán dẫn CMOS cần thiết cho ngƣời 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 - Chƣơng 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 - Chƣơng 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 sƣ – Tiến sĩ Trần Quang Vinh, thầy đã giành nhiều thời gian, tâm huyết hƣớng dẫn nghiên cứu để tác giả có thể hoàn thiện bản luận văn này.CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.CMOS 10 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƢƠNG TỰ 1.1 Giới thiệu: Sự phát triển của xử lý tín hiệu số và tính toán số trong các hệ thống điện tử đƣợc mô tả là "thế giới trở nên số hơn mỗi ngày".
So sánh với các mạch tƣơng 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. Nhƣng 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 lƣợng (performance) vƣợt 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 đƣợc tốc độ cao hơn, tích hợp nhiều chức năng hơn trên chip, công suất tiêu tán thấp hơn, giá thành rẻ hơn, v.
Với những ƣu điểm nhƣ vậy, mạch số ngày càng thay thế các mạch tƣơng tự cùng chức năng. Tuy nhiên, các mạch số không thể thay thế hoàn toàn đƣợc các mạch tƣơng tự vì những yếu tố sau: (1) Bản chất tín hiệu xảy ra trong tự nhiên là tƣơng tự (analog) (2) Con ngƣời nhận thức và nhớ đƣợc thông tin ở dạng tƣơng tự Hơn nữa, dƣới tác động của trên môi trƣờng truyền dẫn, tín hiệu số có thể bị suy giảm đến mức chúng trở thành so sánh đƣợc với nhiễu, lúc đó cần thiết phải xem chúng nhƣ các tín hiệu tƣơng tự. Thế giới tƣơng tự 011 011 101 101 000 000 Chuyển đổi Chuyển đổi Bộ xử lý số tƣơng tự - số số- tƣơng tự (Front end) (Back end) Hình 1.1-1 Giao diện giữa thế giới tương tự và bộ xử lý số Để bộ xử lý số có thể "giao tiếp" với thế giới tƣơng tự, các mạch thu thập và tái tạo lại dữ liệu phải đƣợc sử dụng. Phía front end sử dụng các bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADCs) để thu thập và số hóa tín hiệu.
Phía back end sẽ sử dụng các bộ chuyển đổi số (LUAN.CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.CMOS 11 - tƣơng tự (DACs) để thực hiện chức năng ngƣợc lại, đó là tái tạo lại tín hiệu tƣơng tự từ tín hiệu số. Quá trình này đƣợc minh họa ở hình 1. Các giao diện chuyển đổi dữ liệu (data conversion interface) đƣợc ứng dụng nhiều trong các sản phẩm tiêu dùng cũng nhƣ các hệ thống chuyên dụng nhƣ 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.2 Các thông số của bộ chuyển đổi số-tƣơng tự VREF MSB DN-1 DN-2 Bộ chuyển đổi VOUT D1 số - tƣơng tự D0 LSB 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-tƣơng tự (Chú ý: đầu ra của bộ chuyển đổi số - tƣơng tự có thể là điện áp hoặc dòng điện. Ở đây, vì mục đích miêu tả các thông số của bộ chuyển đổi số - tƣơng tự nên ta giả sử tín hiệu tƣơng tự ở đầu ra là điện áp) Mỗi từ mã N bit ở đầu vào bộ DAC, kí hiệu là D0 , D1 ,., DN 1 , đƣợc ánh xạ tới một giá trị điện áp tƣơng tự vOUT.
vOUT đƣợc xác định nhƣ sau: vOUT FV REF trong đó: VREF là tín hiệu điện áp chuẩn. N 1 F là hệ số đƣợc xác định bởi giá trị của từ mã D ,( D 2 i ) i 0 D F 2N 1002 4 Ví dụ bộ D/A 3 bit, với D =100(2)=4(10) và VREF =5V thì F , và 23 8 4 vOUT FV REF .CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.CMOS 12 Bằng việc vẽ đồ thị vOUT phụ thuộc vào từ mã D , ta sẽ có đồ thị hàm truyền của bộ D/A 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 tƣởng của hai từ mã liên tiếp nhau, Ideal slope: độ dốc lý tƣởng). Ở đây giá trị trục tung đƣợc chuẩn hóa theo VREF. 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 VREF , giá trị lớn nhất, còn đƣợc gọi là điện áp toàn thang (Full scale voltage: VFS ) đƣợc xác định theo biểu thức sau: 2N 1 VFS .VREF 2N Bit ít ý nghĩa nhất (Least significant bit: LSB) là bit ngoài cùng bên phải của từ mã và đƣợc kí hiệu là D0. LSB xác định lƣợng thay đổi nhỏ nhất có thể của điện áp đầu ra tƣơng tự. 1 LSB đƣợc xác định nhƣ sau: VREF 1LSB 2N Ví dụ với bộ D/A 3 bit có VREF = 5V thì 1LSB=5/8=0,625V Bit có ý nghĩa nhất (Most significant bit: MSB) là bit ngoài cùng bên trái của từ mã, đƣợc ký hiệu là DN 1. Khi bit này thay đổi thì điện áp tƣơng tự ở đầu ra thay đổi một lƣợng tƣơng ứng bằng 1/2 VREF .CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.CMOS 13 Độ phân giải (Resolution): Đây là đại lƣợng đƣợc xác định bởi số bit của từ mã.
Nó cho biết sự thay đổi nhỏ nhất có thể của tín hiệu tƣơng tự ở đầu ra đối với một tín hiệu chuẩn VREF. Ví dụ một bộ DAC 8 bit có thể tạo 28=256 mức điện áp ra khác nhau, vì vậy có độ phân giải là 1/256≈0,0039 hay 0,39%.1 Độ phi tuyến vi phân (Differential Nonlinearity, DNL) Là hiệu giữa độ chênh lệch thực tế và độ chênh lệch lý tƣởng (bằng 1LSB) ở đầu ra của hai từ mã liên tiếp. DNL tại từ mã n đƣợc xác định theo biểu thức sau: DNLn [vOUT (n) vOUT (n 1)] LSB trong đó vOUT (n) là giá trị ở đầu ra thực tế của bộ DAC tại từ mã n Ví dụ: Hình 1.1-1 Ví dụ về độ phi tuyến vi phân của bộ DAC 3 bit Hình 1.1-1 cho ví dụ về DNL (Ideal height: độ chênh lệch điện áp ra lí tƣởng của hai từ mã liên tiếp). Tại từ mã 001, giá trị thực tế bằng giá trị lý tƣởng vì vậy DNL1=0.
Tƣơng tự, ta có DNL2=0. Tại từ mã 011, mức chêch lệch giữa từ mã 011 và từ mã kề nó là từ mã 010 bằng 1,5 lần LSB vì thế DNL3=1,5 LSB-1 LSB=0,5 LSB. Tƣơng tự, ta xác định đƣợc giá trị DNL cho các từ mã còn lại là: DNL4=0,5 LSB-1 LSB=-0,5 LSB DNL5=0,25 LSB-1 LSB=-0,75 LSB (LUAN.CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.CMOS 14 DNL6=1,75 LSB-1 LSB=0,75 LSB DNL7=1 LSB-1 LSB=0 LSB Nói chung thì một bộ DAC sẽ có DNL nhỏ hơn ± ½ LSB nếu nó có độ chính xác N bit. Vì vậy một bộ DAC 5 bit với DNL=0,75 LSB thực tế có độ phân giải của bộ DAC 4 bit mà thôi.
Nếu DNL của một bộ DAC nhỏ hơn -1LSB, thì bộ DAC đó đƣợc cho rằng là nonmonotonic (không đơn điệu), nghĩa là điện áp tƣơng tự ở đầu ra không luôn luôn tăng khi từ mã số ở đầu vào tăng. Bộ DAC nên luôn có tính monotonic nếu muốn thực hiện chức năng không có lỗi. Dƣới đây là đồ thị DNL của bộ DAC 3 bit có hàm truyền ở hình 1.1-2 Đặc tuyến DNL của bộ DAC 3 bit không lý tưởng 1.2 Độ phi tuyến tích phân (Integral Nonlinearity, INL) INL đƣợc định nghĩa là hiệu giữa giá trị ở đầu ra bộ chuyển đổi và giá trị của điểm tƣơng ứng nằm trên đƣờng thẳng tham chiếu nối giữa giá trị đầu tiên và giá trị cuối cùng ở đầu ra của bộ chuyển đổi. Thông số này xác định độ tuyến tính của đặc tuyến hàm truyền của bộ chuyển đổi số-tƣơng tự.
Biểu thức xác định INL tại từ mã n, kí hiệu là INLn, là nhƣ sau: INLn = Giá trị đầu ra bộ DAC tại từ mã n – Giá trị của điểm tương ứng trên đường tham chiếu tại từ mã n (LUAN.CMOS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2-1 Cách xác định INL của bộ DAC Ví dụ về INL: Hình 1.2-2 Ví dụ về INL của bộ DAC Đầu tiên đƣờng tham chiếu đƣợc vẽ qua giá trị đầu tiên và giá trị cuối cùng (Straight- line through first and last output points).