ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN MẠNH PHƯƠNG
THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ
8 BÍT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BÁN DẪN CMOS
Ngành: Công nghệ Điện tử- Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Trần Quang Vinh
Hà Nội- 2009
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc
sỹ: “Thiết kế bộ chuyển đổi số - tương tự 8 bít sử dụng công nghệ bán dẫn
CMOS” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện.
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Mạnh Phương
2
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
4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1-1 Các mã đầu vào số sử dụng cho các bộ chuyển đổi số-tương tự................19
Bảng 2.6-1 Đầu ra của bộ DAC 6 bit với
REF
V
=5V ......................................................26
Bảng 2.7-1 Đầu ra của bộ DAC đường ống với
REF
V
=5V ............................................27
Bảng 3.3-1 Tóm tắt một số đặc tính của các phần tử thụ động của công nghệ CMOS
0.8µm.............................................................................................................................48
Bảng 5.1-1 Các chỉ định của bộ chuyển đổi số - tương tự............................................75
Bảng 5.1-2 Các chỉ định định thời của bộ chuyển đổi số - tương tự.............................76
Bảng 5.2-1 Chức năng của các tín hiệu điều khiển.......................................................77
Bảng 5.3.2-1 Hoạt động chức năng của RSFF..............................................................84
Bảng 5.3.3-1 Bảng chân lý của khối điều khiển............................................................90
Bảng 5.3.4-1. Bảng chân lý của bộ lập mã Thermometer.............................................92
Bảng 5.3.9-1 Kết quả mô phỏng các chỉ định của DAC .............................................116
Bảng 5.3.9-2 Kết quả mô phỏng chỉ định định thời của DAC ở V
DD
=2,7V và 25
o
C .116