Chương 1 GIỚI THIỆU: Giới thiệu chung về đề tài, mục tiêu nghiên cứu, giới hạn đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Giới thiệu chung về công nghệ CMOS, hướng nghiên cứu về chuyển đổi tín hiệu số, các dạng ADC đang được sử dụng hiện nay và các kiến trúc của các khối bên trong hệ thống SAR ADC 10 bit. 3 Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SAR ADC 10 BIT: Đưa ra mô hình chung của toàn bộ hệ thống, các khối của hệ thống, tính toán, thiết kế từng khối và các thành phần trong các khối. Chương 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN HỆ THỐNG SAR ADC 10 BIT: Trình bày kết quả thi công của mô hình hệ thống SAR ADC 10 bit.
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Rút ra các kết luận so với mục tiêu đề ra ban đầu và hướng phát triển của mô hình SAR ADC 10 bit. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sẽ giới thiệu về các lý thuyết liên quan tới những vấn đề cần giải quyết trong đề tài là công nghệ CMOS, công nghệ chuyển đổi ADC, sơ lược về nguyên lý hoạt động của các loại ADC ngày nay và các kiến trúc cơ bản của các khối như khối so sánh, khối lấy mẫu và giữ, khối Control Logic và khối DAC bên trong hệ thống SAR ADC 10 bit.1 CÔNG NGHỆ CMOS CMOS (Complementary – Metal – Oxide – Semiconductor): Là một thuật ngữ của công nghệ chế tạo mạch tích hợp. Các mạch tích hợp đều được cấu tạo từ Silicon. Các chất bán dẫn được chia thành 2 loại là bán dẫn loại n với các hạt tải điện là các electron mang điện tích âm và bán dẫn loại p với các hạt tải điện là các lỗ trống mang điện tích dương.
Điểm nối giữa hai lớp này được gọi là diode. Khi phân cực thuận cho diode nghĩa là cấp nguồn (+) vào lớp bán dẫn p, (-) vào bán dẫn n, lúc này miền cách điện dần dần thu hẹp lại khi điện áp cấp vào càng tăng, diode sẽ bắt đầu dẫn điện. Ngược lại, khi phân cực ngược cho diode, cấp nguồn (+) vào lớp bán dẫn n, (-) vào bán dẫn p, miền cách điện giữa hai lớp p và n sẽ ngày càng rộng ra, ngăn không cho dòng điện đi qua diode [3]. Transistor MOS hoạt động như một công tắc chuyển mạch, tùy vào trường hợp cụ thể mà sẽ ở trong các trạng thái hoạt động khác nhau.
Dòng điện sẽ đi qua kênh dẫn từ cực nguồn (Source) đến cực máng (Drain) và sẽ được điều khiển bằng điện áp cung cấp ở cực cổng (Gate). Trong công nghệ CMOS có cả hai loại bóng bán dẫn là NMOS và PMOS, chất nền là loại n hoặc loại p. Ở NMOS, hạt tải đa số là các electron, còn PMOS, là các lỗ trống. Dù là NMOS hay PMOS đều có 3 chế độ hoạt động khác nhau, đó là chế độ tích lũy, vùng nghèo và vùng đảo [4].
Một bóng bán dẫn NMOS được chế tạo với thân loại p và có các vùng bán dẫn loại n liền kề với cổng được gọi là nguồn (Source) và cực máng (Drain), body 5 thường được nối đất. Một bóng bán dẫn PMOS thì ngược lại, bao gồm các vùng nguồn và cống loại p với body loại n. Ở NMOS, phần body thường được nối đất nên các điểm nối p–n của nguồn và cống tới phần thân bị phân cực ngược. Nếu cổng cũng được nối đất thì sẽ không có dòng điện chạy qua các điểm nối phân cực ngược.
Do đó, chúng ta nói bóng bán dẫn OFF. Nếu điện áp cổng tăng lên, nó sẽ tạo ra một điện trường bắt đầu hút các electron tự do vào mặt dưới của bề mặt tiếp xúc Si–SiO2. Nếu điện áp tăng đủ, số electron sẽ nhiều hơn số lỗ trống và một vùng mỏng dưới cổng gọi là kênh sẽ bị đảo ngược để hoạt động như một chất bán dẫn loại n. Do đó, hình thành đường dẫn của các hạt mang điện tử được từ cực nguồn (Source) tới cổng (Drain) và dòng điện có thể chạy qua.
Lúc này NMOS đang ON. Ngược lại, đối với bóng bán dẫn PMOS, phần Body thường được nối lên điện áp dương. Khi cổng Gate cũng ở điện áp dương, các mối nối nguồn và cống bị phân cực ngược và không có dòng điện chạy qua, do đó bóng bán dẫn OFF. Khi điện áp ngõ vào cực cổng (Gate) giảm, các điện tích dương sẽ bị hút vào mặt dưới của bề mặt tiếp xúc Si–SiO2.
Điện áp cổng đủ thấp sẽ đảo ngược kênh và sẽ hình thành đường dẫn điện từ nguồn đến cống, do đó bóng bán dẫn PMOS sẽ trạng thái ON [4]. Công nghệ CMOS được ứng dụng vào việc chế tạo cách mạch tích hợp, logic, mạch tương tự và mạch số và đóng vai trò như các tế bào trong các vi điều khiển, vi xử lý. Các linh kiện được chế tạo bởi công nghệ CMOS có tính chống nhiễu cao, độ tin cậy cao, chi phí sản xuất thấp, tiêu thụ điện năng khi ở trạng thái OFF thấp, có kích thước rất bé và độ delay nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng và sinh ra ít nhiệt hơn so với các mạch logic khác như TTL… [4] [5].2 LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ CHUYỂN ĐỔI ADC 2.1 Khái niệm và các bước cơ bản của chuyển đổi ADC Chuyển đổi ADC là quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Đây là quá trình biểu diễn các thông tin ở tín hiệu tương tự thành chuỗi các tín hiệu số 0,1.
Mục đích của việc chuyển đổi ADC là giảm thiểu khối lượng lớn các giá trị trong thông tin của tín hiệu tương tự, giảm nhiễu và dễ xử lý.1 dưới đây 6 là sơ đồ khối tổng quát của chuyển đổi ADC trình bày khái quát mô hình chuyển đổi tương tự-số, trong đó đầu vào là tín hiệu tương tự và đầu ra là tín hiệu số [6].1: Sơ đồ khối tổng quát chuyển đổi ADC [6] Quá trình chuyển đổi ADC gồm 4 bước: Lấy mẫu và giữ (PAM), lượng tử hóa, mã hóa nhị phân và mã hóa số-số. PAM là quá trình lấy mẫu và tạo ra chuỗi xung tuân theo định lý Nyquist đó là tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu: Fs ≥ 2Fimax (2.1) Với Fs là tần số lấy mẫu và Fimax là tần số lớn nhất của tín hiệu tương tự cần lấy mẫu. Mục đích cho việc này là để khôi phục tín hiệu số chính xác nhất có thể.2 dưới đây cho thấy sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu sau khi đã được lấy mẫu, trong đó hình bên trái là tín hiệu trước khi lấy mẫu và hình bên phải là tín hiệu sau khi lấy mẫu: Hình 2.2: Tín hiệu tương tự (a) và tín hiệu sau khi lấy mẫu(b) [6] Lượng tử hóa: Là quá trình gán giá trị cho tín hiệu về mức đã định sẵn khi lấy mẫu. Có thể hiểu đây là quá trình biến các giá trị rời rạc của tín hiệu thành các giá trị số nguyên tương ứng.
Trong quá trình lượng tử hóa, tín hiệu lấy mẫu được lượng tử hóa thành mã số tương ứng bằng bộ lượng tử hóa. Bước này làm tròn điện áp đầu vào tương tự thành các bước điện áp rời rạc, do đó sẽ gây ra sai số. Do vậy 7 phải xác định được mức quy tròn lượng tự hóa gọi là ∆x và hạn chế sự sai số bằng cách tăng tần số lấy mẫu. Với A là phần nguyên, y(k) là giá trị nguyên cần biến đổi thành.
Công thức tính độ lượng tử hóa như sau [7]: x(k) = A.2) Xét ví dụ bảng 2.1 sau với giá trị tín hiệu trước và sau khi lượng tử hóa: Bảng 2-1: Giá trị rời rạc của tín hiệu sau khi lấy mẫu và sau khi lượng tử hóa Giá trị sau khi PAM lấy mẫu Sau khi lượng tử hóa 9.9 16 Tiếp theo là mã hóa nhị phân, đây là quá trình chuyển đỗi mẫu tín hiệu sau khi lượng tử hóa thành các tổ hợp nhị phân tương ứng với số bit cho mỗi mức là log2[tổng mức lượng tử hóa]. Ngoài ra sẽ có thêm một bit ngoài cùng bên trái gọi là bit dấu “0” là dương và “1” là âm. Ví dụ giá trị +124 được mã hóa thành 01111100. Sau cùng bước mã hóa số-số.
Đây là quá trình chuyển đổi các tổ hợp nhị phân thành các tín hiệu số để xuất ra ở ngõ ra theo các mã Unipolar hay Bipolar… [7].2 Nguyên lý hoạt động tổng quan của ADC ADC hoạt động dựa trên một số loại mạch nhất định, một bộ ADC hoàn chỉnh sẽ gồm bộ lọc AAF, mạch lấy mẫu và giữ S/H, bộ lượng tử hóa, bộ quantizer được minh họa như hình 2.3 bên dưới với tín hiệu ngõ vào tương tự và tín hiệu ngõ ra là tín hiệu số.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng quan của ADC [7] Trong hình trên, bộ lọc AAF được đặt ở phía trước mạch giữ S/H để loại bỏ tín hiệu nhiễu không mong muốn cao hơn tần số Nyquist làm suy giảm chất lượng tín hiệu. Tiếp đến là mạch giữ có vai trò ổn định tín hiệu, giữ tín hiệu tương tự là một giá trị cố định trong quá trình chuyển đổi vì tín hiệu tương tự có thể thay đổi giá trị liên tục [6]. Đầu vào tín hiệu tương tự U(t) thay đổi liên tục được lấy mẫu thành điện áp tương đương tại từng thời điểm riêng biệt trong quá trình lấy mẫu. Điện áp lấy mẫu được giữ trong khoảng thời gian thường bằng một nửa chu kỳ tín hiệu lấy mẫu T.
Điện áp tương tự được lấy mẫu V [n] có công thức [7]: V [n] = U(t) - δ(t − n · T) (2.3) Trong đó hàm delta δ(t) là xung đơn vị. Đây là xung tín hiệu mà giá trị chỉ tồn tại tại một thời điểm cố định trên trục thời gian.3 CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC NGÀY NAY 2.1 ADC điện áp tham chiếu bậc thang ADC điện áp tham chiếu bậc thang có cấu tạo chính là thanh ghi, mạch đếm và sử dụng xung clock để hoạt động. Mạch đếm hoạt động dựa vào xung clock, giá trị của mạch đếm sẽ tăng đến khi nào VAX ≥ VA+VT-ADC tạo ra dạng sóng có hình bậc thang.4 dưới đây minh họa sơ đồ khối của ADC điện áp tham 9 chiếu bậc thang hoạt động theo xung clock với các khối Op-amp so sánh, khối DAC và cổng AND [8].4: Sơ đồ khối điện áp tham chiếu bậc thang b) dạng sóng của ADC điện áp tham chiếu bậc thang [8] Trong sơ đồ này, mạch dùng bộ DAC, mạch đếm, Op-amp so sánh và sử dụng cổng logic AND để điều khiển.