Thạc Sĩ thiết kế bộ chuyển đổi số - tương tự 8 bít sử dụng công nghệ bán dẫn cmos

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ
8 BÍT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BÁN DẪN CMOS
MỤC LỤC
Trang phụ bìa Trang
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình vẽ . 5
MỞ ĐẦU 9
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ 10
1.1 Giới thiệu: . 10
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) . 25
2.7 DAC đường ống (Pipeline DAC) 26
Chương 3 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CMOS 28
3.1 Các quy trình sản xuất bán dẫn MOS cơ bản 28
3.1.1 Ôxi hóa (Oxidation) . 29
3.1.2 Khuếch tán (Diffusion) 30
3.1.3 Cấy ion (Ion Implantation) 31
3.1.4 Lắng đọng (Deposition) . 32
3.1.5 Ăn mòn (Etching) 32
3.1.6 Quang khắc (Photolithography) . 34
3.2 Transistor MOS 37
3.2.1 Cấu trúc vật lý: 37
3.2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản: 38
3.3 Các linh kiện thụ động (Passive component) 44
3.3.1 Tụ điện (Capacitor) 44
3.3.2 Điện trở (Resistor) . 48
3.4 Layout mạch tích hợp 49
3.4.1 Vấn đề matching: 50
3.4.2 Layout transistor MOS: 56
3.4.3 Layout điện trở: 58
3.4.4 Layout tụ điện: 59
Chương 4 - MÔ HÌNH THIẾT BỊ MOS . 62


3
4.1 Mô hình tín hiệu lớn (Large-Signal Modelling) . 62
4.2 Mô hình tín hiệu nhỏ (Small-Signal Modelling) 65
4.2.1 Mô hình tín hiệu nhỏ trong vùng tích cực . 65
4.2.2 Mô hình tín hiệu nhỏ trong vùng triốt và cut-off 69
4.3 Các mô hình MOS cao cấp (Advanced MOS Modelling) . 71
4.3.1 Các hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effects) 71
4.3.2 Hoạt động subthreshold: 74
Chương 5 - THIẾT KẾ DAC 75
5.1 Yêu cầu thiết kế 75
5.2 Sơ đồ khối chức năng 76
5.3 Thiết kế chi tiết của các khối 78
5.3.1 Khối Logic Input 79
5.3.2 Thanh ghi 83
5.3.3 Khối điều khiển (Control Logic) 89
5.3.4 Bộ lập mã thermometer 91
5.3.5 Khối tạo dòng phân cực . 97
5.3.6 Khối tạo dòng DAC . 99
5.3.7 Khối driver . 106
5.3.8 Khối chuyển đổi dòng điện - điện áp 109
5.3.9 Sơ đồ mạch điện, sơ đồ layout và kết quả mô phỏng của chip DAC 113
KẾT LUẬN . 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123
PHỤ LỤC 124
Phụ lục A. Kí hiệu và mô hình của các phần tử mạch điện 124
Phụ lục B. Các mẫu vẽ thể hiện các lớp layout 130
Phụ lục C. Các quy tắc layout của công nghệ CMOS 0.6µm 132
Phụ lục D. Sơ đồ mạch điện và layout của các cổng logic 146
Phụ lục E. Nội dung các file mô phỏng 150


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.