Bộ so sánh hữu cơ công nghệ bù, công suất thấp

Bài viết Bộ so sánh hữu cơ công nghệ bù, công suất thấp trình bày thiết kế mạch so sánh sử dụng transistor màng mỏng vật liệu hữu cơ Pentacene cho loại kênh P và Fullerene cho loại kênh N. Các vật liệu bán dẫn hữu cơ này được sử dụng khá phổ biến, chủ yếu là do có độ linh động hạt dẫn cao.

94 Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Vũ Thắng, Phạm Nguyễn Thanh Loan, Đào Thanh Toản BỘ SO SÁNH HỮU CƠ CÔNG NGHỆ BÙ, CÔNG SUẤT THẤP LOW-POWER ORGANIC COMPARATOR WITH COMPLEMENTARY TECHNOLOGY Phạm Thanh Huyền1, Nguyễn Vũ Thắng1, Phạm Nguyễn Thanh Loan1, Đào Thanh Toản2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; huyenktdt@utc.edu.vn Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt - Trong báo chúng tơi trình bày thiết kế mạch so sánh sử dụng transistor màng mỏng vật liệu hữu Pentacene cho loại kênh P Fullerene cho loại kênh N Các vật liệu bán dẫn hữu sử dụng phổ biến, chủ yếu có độ linh động hạt dẫn cao Sau chế tạo, đo lường thông số điện bản, chúng tơi tạo mơ hình cho loại kênh P kênh N để sử dụng mơ mạch tích hợp cách xác định thơng số cho mơ hình cho kết chạy mô tiệm cận với kết đo thực nghiệm Tiếp theo đó, chúng tơi thiết kế mơ mạch so sánh hữu cơng nghệ bù có cơng suất tiêu thụ cực thấp Mạch so sánh hoạt động với điện áp nguồn cung cấp V, xung nhịp KHz tín hiệu vào dạng vi sai tần số 200 Hz, biên độ 200 mV đỉnh-đỉnh tổng công suất tiêu thụ thấp, khoảng 790.2 nW Abstract - In this article, we present the design of a comparator using organic thin-film transitor with Pentacene for P-channel and Fullerene for N-channel These organic semiconductor materials are chosen due to their popularity and high field- effect mobility After making two new organic field-effect transistors and measuring key electricity parameters, we build models for each channel to be used in integrated circuit simulation With the support of an organic process design kit (OPDK) that was first built by University of Minnesota, we successfully model new organic thin-film transistors, whose simulation results fit well to experimental curves Then, we design and simulate an ultra-low power comparator with complementary technology The proposed comparator operate only at V power supply voltage, KHz clock pulse, and 200 Hz, 200 mV peak-to-peak input signa with the total capacity of approximately 790.2nW Từ khóa - transistor màng mịng hữu (OTFT); mơ hình hóa; thiết kế mạch tích hợp; mạch so sánh hữu cơ; công suất thấp Key words - Organic thin-film transistor (OTFT); modeling; integrated circuit design; organic comparator; low-power Giới thiệu Mạch tích hợp hữu dần thay mạch tích hợp bán dẫn Silic nhiều ứng dụng khác [1] Điều có chúng có loạt ưu trội tính tương thích tự nhiên với thể sống, mềm dẻo, chi phí sản xuất đơn vị diện tích thấp xử lý nhiệt độ không cao Rõ ràng với hỗ trợ cơng cụ thiết kế máy tính (CAD) thời gian chi phí nghiên cứu, phát triển mạch tích hợp giảm đáng kể [2 - 4] Trong số phần mềm thiết kế, mô mạch tích hợp, Cadence Virtuoso Hspice sử dụng rộng rãi tính trực quan, đa có độ xác cao Nhóm nghiên cứu trường Đại học Minnesota, Hoa Kỳ tạo công cụ hỗ trợ thiết kế mạch hữu cơ, OPDK [5] cho transistor hiệu ứng trường kênh P vật liệu P3HT transistor đơn cực vật liệu CNT Tuy nhiên, tính đa dạng loại vật liệu dùng để chế tạo transistor hữu nên cần thiết phải phát triển công cụ cho nhiều loại vật liệu khác để thuận tiện cho nhà thiết kế mạch Mạch so sánh đóng vai trị quan trọng chuyển đổi tương tự - số (ADC) chúng ảnh hưởng trực tiếp tới độ xác q trình chuyển đổi Mạch so sánh điện áp dòng điện hai đầu vào tạo đầu dạng số (một bit) tùy thuộc vào kết so sánh Gần đây, với phát triển nhanh chóng cơng nghệ vật liệu Silic, mạch so sánh vô thường nghiên cứu theo hướng công suất cực thấp, hiệu lớn hay tốc độ cao với kết tốt [6], mạch hữu đạt giá trị khiêm tốn Tới nhiều mạch tích hợp hữu chế tạo theo công nghệ sử dụng loại transistor kênh P có độ ổn định tốt hơn, độ linh động hạt dẫn cao hàng rào thấp [7] Mặc dù đạt số kết ban đầu, mạch tích hợp hữu lộ vài nhược điểm độ khuếch đại thấp, dải tần hẹp, tiêu hao cơng suất nhiều cấu trúc cịn cồng kềnh [8, 9] Nhằm khắc phục tồn kể trên, thiết kế mạch so sánh kiểu bù sử dụng loại transistor kênh P kênh N (kiểu thiết kế mạch dạng pull-up pulldown) Thêm nữa, với mục tiêu đạt công suất cực thấp, cấu trúc sử dụng kiểu động–lật để loại bỏ dịng chiều chế độ tĩnh Mơ hình hóa transistor hữu Trong linh kiện hữu cơ, dòng điện cực máng IDS gồm hai phần dòng tích lũy dịng rị [3], biểu diễn cơng thức đây: I DS  W V  Vth  Cdiel 0 ( GS ) (VGS  Vth )(1  VDS ) * L Vaa VDS  SIGMA0.VDS VDS [1  ( ) m ]1/ m  sat (VGS  Vth ) (1) với W, L chiều rộng chiều dài kênh dẫn, Cdiel điện dung lớp điện mơi làm cực cửa, µ0 độ linh động hạt dẫn, Vth điện áp ngưỡng, VGS điện áp cực cửa cực nguồn, Vaa điện áp đặc tính cho độ linh động hiệu ứng trường,  độ linh động theo luật công suất,  độ dẫn điện đầu ra, m tham số đoạn đột biến, αsat hệ số điều chế bão hòa SIGMA0 tham số dòng điện rị tối thiểu Các tham số mơ W, L, Cdiel, µ0, Vth … trích xuất từ kết đo thực nghiệm, tham số điều chỉnh lại chọn với trợ giúp cơng cụ OPDK, trình bày nghiên cứu trước [10, 11] Một số tham số quan trọng mơ hình tóm tắt Bảng Cần ý nghiên cứu hướng mơ hình hóa ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN OFET sử dụng mơ hình SPICE level 1, 3, 15 61 Tuy vậy, mơ hình có độ xác khác phụ thuộc vào cách tác giả lựa chọn tham số Ví dụ, tác giả [12] sử dụng mơ hình Spice level để mơ hình hóa cho OTFT, sử dụng tham số nên độ xác mơ hình so với thực nghiệm hạn chế Trong nghiên cứu này, sử dụng Spice level 61 dành riêng cho amorphous Silicon (aSi) TFT với 29 thông số Điều tăng độ xác cho mơ hình hơn, việc tìm thơng số lại khó khăn nhiều tham số lại ảnh hưởng tới linh kiện theo kiểu khác Thực tế kết mô tiệm cận đến kết thực nghiệm giá trị tất thông số xác định hợp lý Các Hình cho thấy đường đặc tuyến truyền đạt đường đặc tuyến đầu kết thực nghiệm mô khớp với tốt Điều cho thấy, mơ hình đề xuất trùng hợp với linh kiện thực tế sử dụng linh kiện thiết kế mơ mạch tích hợp phức tạp Thêm vào đó, chúng tơi khảo sát đặc tính tần số OTFT để đảm bảo mạch thiết kế dùng ứng dụng cụ thể thích hợp Bảng Các tham số mơ hình OFET OFETs P-channel N-channel 50 50 40 40 0.25 0.4 -1.62 2.0 6.91×102 6.91ì102 10-10 10-10 14.695 20 5.28 0.02 L W/L à0 Vth Cdiel SIGMA0 Vaa   0.001 3.5 0.2 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 Drain current (A) 10 m cm2/Vs V F/m2 A 0.001 0.73 Tần số cắt fc tham số quan trọng xét đặc tuyến tần số, xác định tỉ số đầu ra/đầu vào 0.707 Hình 3(a) cho thấy tần số cắt OTFT loại kênh N 40.1 KHz loại kênh P 10.8 KHz ứng với độ dài kênh dẫn 50 µm Tần số cắt loại kênh N lớn độ linh động hạt dẫn cao [11] Điều có nghĩa đặc tuyến tần số mạch phụ thuộc chủ yếu vào linh kiện loại P Hình 3(b) biểu diễn thay đổi đặc tuyến tần số theo chiều dài kênh dẫn Khi L giảm từ 100 µm tới 10 µm tần số cắt tăng nhanh từ vài KHz tới vài MHz Điều tương tự FET bán dẫn Silic Do dải tần hoạt động linh kiện bao trùm dải tần số điện sinh (nhỏ 10 KHz) [13], sử dụng linh kiện để thiết kế mạch ứng dụng điện tử y sinh mạch khuếch đại, mạch so sánh hay mạch chuyển đổi tương tự - số 1.0 VD = - V Thực nghiệm data Experimental Mô result Simulated (a) N_type P_type 0.8 0.6 10.8 KHz 40.1 KHz 0.4 0.2 0.0 (a) 100 10k 1M 100M Frequency (Hz) -10 -10 -8 -6 -4 -2 Gate voltage (V) VG=-10 V (b) Thực nghiệm data Experimental Mô result Simulated VG=-8 V -2 -4 -6 -8 Drain voltage (V) -10 Hình So sánh kết thực nghiệm mô đặc tuyến truyền đạt (a) đặc tuyến đầu (b) transistor Pentacene kênh P Cut-off frequency (Hz) Drain current (A) m αsat Unit Hình So sánh kết thực nghiệm mô đặc tuyến truyền đạt (a) đặc tuyến đầu (b) transistor Fullerene kênh N Normalized amplitude Parameters 95 10 10 10 10 N_type P_type (b) 20 40 60 80 100 Length of channel (m) Hình (a) Đặc tuyến tần số OTFT chiều dài kênh dẫn 50 µm (b) Sự phụ thuộc tần số cắt vào chiều dài kênh dẫn 96 Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Vũ Thắng, Phạm Nguyễn Thanh Loan, Đào Thanh Toản Thiết kế mạch so sánh hữu Cấu trúc mạch so sánh thường kiểu hai tầng gồm khuếch đại mạch lật hồi tiếp dương Mặc dù ưu điểm mạch chịu ảnh hưởng nhiễu dội ngược loại bỏ offset linh kiện, lại tiêu thụ cơng suất nhiều Vì mục đích nghiên cứu tiết kiệm lượng, nên cấu trúc chọn cấu trúc động với tín hiệu xung nhịp đồng hồ để loại bỏ hoàn toàn dịng tĩnh mạch khơng q trình chuyển đổi Thêm vào đó, mạch so sánh thiết kế theo công nghệ bù để giảm thiểu nhược điểm công nghệ chế tạo sử dụng loại P [8] Hình mơ tả kết cấu mạch so sánh động-lật với đầu vào cặp transistor loại P mắc kiểu vi sai Khi xung nhịp đồng hồ Clk mức cao, đầu Out+ Out- mức cao Khi xung nhịp Clk mức thấp đầu vào vi sai so sánh V+ V- Kết có đầu mức cao, đầu lại bị kéo xuống thấp kênh P đầu vào lớn chênh lệch điện áp cực cửa cực nguồn giảm, nên dịng cực máng qua chúng giảm, kéo theo cơng suất tiêu thụ giảm Ví dụ, điều kiện tín hiệu vào hình sin, tần số 200 Hz, xung nhịp KHz, nguồn cung cấp V mạch tiêu thụ công suất xấp xỉ 790 nW 740 nW ứng với biên độ tín hiệu vào 200 mV 500 mV Phân tích số kết mô Mạch so sánh thiết kế mô nhờ công cụ OPDK tích hợp Cadence Điện áp nguồn cung cấp thiết lập V, xung nhịp đồng hồ tần số KHz, tín hiệu vào có tần số 200 Hz Mạch thực trình so sánh xung nhịp Clk xuống mức thấp Nếu V+ lớn V-, Out+ mức cao, Out- mức thấp Nếu V+ nhỏ V-, mạch so sánh đưa Out+ mức thấp Out- mức cao Các dạng sóng đầu vào Hình cho đầu Hình 7(a) 7(b) thể rõ điều Inputs (mV) V+ V- (a) 50 -50 Clk (V) (b) Hình Topology mạch so sánh 10 Time (ms) Hình Các đầu vào mạch (a) V+ dạng tam giác, điện áp đỉnhđỉnh 100 mV, V- 0, (b) Xung nhịp tần số KHz, biên độ V 7.5 300 s (a) Out- (V) 5.0 2.5 0.0 7.5 Clk OutOut+ (b) Hình (a) Tín hiệu đầu vào, (b) Xung nhịp đồng hồ, (c) Kết chạy mô tổng công suất mạch Hình 5(a) (b) biểu diễn dạng tín hiệu vi sai đầu vào tần số 200 Hz, điện áp đỉnh-đỉnh 200 mV tín hiệu xung đồng hồ tần số KHz Khi cơng suất tiêu thụ mạch có dạng Hình 5(c) Kết qủa chạy mô cho thấy mạch tiêu thụ công suất sườn lên hay xuống xung nhịp Vì cơng suất tiêu thụ trung bình giảm thiểu cách đáng kể Khi điện áp đầu vào tăng, công suất tiêu thụ mạch giảm ngược lại Lý điện áp vào đưa tới cực cửa OTFT Out+ (V) 5.0 2.5 0.0 10 Time (ms) Hình Kết mơ điều kiện đầu vào Hình (a) Dạng sóng đầu Out+ (b) Dạng sóng đầu Out- Tham số thời gian ổn định tham số quan trọng cho thấy khả thiết lập trạng thái mạch so sánh Điều có nghĩa tốc độ so sánh phần xác định thông qua độ dài thời gian ổn định Hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN biểu diễn dạng sóng đầu cho thấy thơng số thời gian ổn định khoảng 300 µs gần khơng đổi dải tần số đầu vào rộng từ 0,001 Hz đến KHz Thêm vào đó, mạch so sánh đáp ứng tốt điều kiện mô overdrive hai đầu vào sai khác giá trị nhỏ, xem chi tiết Hình Kiểm tra điều kiện overdrive bắt buộc, muốn sử dụng mạch so sánh ADC Cụ thể là, ADC có độ lớn bit có trọng số nhỏ LSB so sánh cần hoạt động đầu vào khác ½ LSB Hình kết mơ đầu vào V+ có dạng xung vng biên độ 510 mV, V- giá trị chiều 500 mV Với độ lệch 10 mV hai đầu vào mạch chạy theo chức năng, nghĩa dùng mạch ADC có LSB 20 mV Ngoài ra, để làm rõ ưu điểm mạch đề xuất, Bảng kết so sánh số thông số mạch với giá trị tương ứng đạt nghiên cứu trước (a) (b) (c) (d) Hình Kết kiểm tra điều kiện overdrive với (a) Hai đầu vào dạng xung vng có điện áp đỉnh 510 mV dạng chiều 500 mV, (b) Xung nhịp KHz, (c) Đầu Out- (d) Đầu Out+ Bảng So sánh với số nghiên cứu khác Thông số [8] Công nghệ Chỉ loại kênh P Vật liệu bán dẫn hữu Pentacene Cấu trúc Động – lật Nguồn cung cấp Tần số xung nhịp Tần số đầu vào Điện áp vào đỉnh – đỉnh Thời gian ổn định đầu Công suất tiêu thụ Nghiên cứu Cả kênh Cả kênh N Cả kênh N N P P P PEN foil DNTT Pentacene SAM F16CuPc Fullerene Dãy mạch Động Động – lật đảo [9] [14] 20 V 40 V 3V 5V KHz 70 Hz N/A KHz 40 Hz N/A 100 Hz 200 Hz 2V ± 400 mV 200 mV 200 mV N/A ms N/A 300 µs 180 µW N/A 2.9 µW 790,2 nW 97 Từ Bảng ta thấy, [8] tiêu thụ công suất lớn, 180 µW, mạch phức tạp, sử dụng nhiều transistor phải tạo linh kiện giống loại N từ linh kiện loại P tần số đầu vào đạt 40 Hz nguồn cung cấp lên tới 20 V [14] giảm đáng kể điện áp nguồn cung cấp, xuống V, sử dụng vật liệu hữu khác Tuy nhiên, công suất tiêu thụ lớn gấp 3,67 lần so với mạch đề xuất nghiên cứu điều kiện điện áp đầu vào 200 mV, tần số đầu vào 100 Hz so với 200 Hz Thêm vào đó, thời gian ổn định đầu mạch 10 % so với [9] Như vậy, mạch so sánh báo hoạt động tần số xung nhịp tần số đầu vào cao nhất, tương ứng KHz 200 Hz tiêu thụ công suất nhỏ nhất, khoảng 790 nW điện áp đỉnh-đỉnh đầu vào 200 mV Tóm lại, với nhiều điều kiện thử nghiệm khác đầu vào, mạch so sánh hoạt động ổn định dải tần từ 0.001 Hz đến KHz điện áp vào từ vài mV trở lên Do đó, ứng dụng ADC hầu hết thiết bị điện tử y sinh vốn có đầu vào tín hiệu sinh học tần số KHz (trừ tín hiệu điện cơ) biên độ 100 mV [13] Kết luận Bài báo trình bày cách thức mơ hình hóa transistor màng mỏng hữu cách hiệu nhanh chóng nhờ sử dụng cơng cụ OPDK tích hợp mơi trường Cadence Virtuoso Từ linh kiện tạo thư viện, mạch so sánh động kiểu bù thiết kế mô chi tiết Mạch hoạt động tốt dải tần số điện sinh nên ứng dụng ADC cảm biến y sinh Theo kết mô phỏng, mạch tiêu thụ công suất nhỏ so với nghiên cứu trước đó, 790,2 nW đầu vào 200 Hz, biên độ 200 mV, xung nhịp KHz điện áp nguồn cung cấp V Rõ ràng đầu nhiều nhiễu đột biến, nhược điểm chưa khắc phục mạch tích hợp hữu tính ổn định đặc tính điện vật liệu bán dẫn hữu hạn chế so với vật liệu Silic Do vậy, xu hướng tương lai sử dụng vật liệu có độ linh động ổn định, phụ thuộc nhiệt độ làm việc điện áp thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics.” http://www.oe-a.org/roadmap [2] Y Chen, L Shang, Z Ji, H Wang, M Han, X Liu, and M Liu, “Analytical model for the dispersion of sub-threshold current in organic thin-film transistors,” Journal on Semiconductor, vol 32, no 11, p 114004, 2011 [3] M Estrada, a Cerdeira, J Puigdollers, L Reséndiz, J Pallares, L F Marsal, C Voz, and B Iñiguez, “Accurate modeling and parameter extraction method for organic TFTs,” Journal of Solid State Electronics, vol 49, no 6, pp 1009–1016, 2005 [4] F Yin, Z Xu, S Zhao, F Zhang, Y Chen, C Kong, W Gong, and X Xu, “A DC current–voltage model for organic thin film transistor for circuit design,” Optik - International Journal for Light and Electron Optics, vol 125, no 1, pp 257–259, 2014 [5] “The Organic Process Design Kit (OPDK)” http://opdk.umn.edu/ [6] B Murmann, "ADC Performance Survey 1997-2015", http://www.stanford.edu/~murmann/adcsurvey.html [7] B Kumar, B K Kaushik, and Y S Negi, “Static and dynamic characteristics of dual gate organic TFT based NAND and NOR 98 [8] [9] [10] [11] Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Vũ Thắng, Phạm Nguyễn Thanh Loan, Đào Thanh Toản circuits,” J Comput Electron., vol 13, no 3, pp 627–638, 2014 H Marien, M Steyaert, N Van Aerle, and P Heremans, “A mixedsignal organic kHz comparator with low VT sensitivity on flexible plastic substrate,” in ESSCIRC - Proceedings of the 35th European Solid-State Circuits Conference, pp 120–123, 2009 S Abdinia, M Benwadih, R Coppard, S Jacob, G Maiellaro, G Palmisano, M Rizzo, A Scuderi, F Tramontana, A Van Roermund, and E Cantatore, “A 4b ADC manufactured in a fully-printed organic complementary technology including resistors,” Dig Tech Pap - IEEE Int Solid-State Circuits Conf., vol 56, pp 106–107, 2013 T T Dao, T Matsushima, R Friedlein, and H Murata, “Controllable threshold voltage of a Pentacene field-effect transistor based on a double-dielectric structure,” Org Electron physics, Mater Appl., vol 14, no 8, pp 2007–2013, 2013 Huyen Thanh Pham, Thang Vu Nguyen, Hideyuki Murata and Toan Thanh Dao, “Computer-Aided Design and Verification of Organic CMOS Integrated Circuits for Bioelectronics”, proc The 5th International Conference on IC Design and Verification (ICDV) 2014, pp 14-20, Hanoi, Vietnam, Nov 2014 [12] H Marien, M S J Steyaert, E Van Veenendaal, and P Heremans, “A fully integrated  ADC in organic thin-film transistor technology on flexible plastic foil,” IEEE J Solid-State Circuits, vol 46, no 1, pp 276–284, 2011 [13] Huyen Thanh Pham, Kien PhanNguyen, Hai Long Le, Thang Vu Nguyen, “A review of successive-approximation-register ADC in biomedical applications,” J Sicence Technol Tech Univ., vol 104, no 0868–3980, pp 57–61, 2015 [14] W Xiong, U Zschieschang, H Klauk, and B Murmann, “A 3V 6b successive-approximation ADC using complementary organic thin-film transistors on glass,” in Digest of Technical Papers - IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2010, vol 53, pp 134–135 (BBT nhận bài: 31/08/2015, phản biện xong: 16/10/2015) ... trình chuyển đổi Thêm vào đó, mạch so sánh thiết kế theo công nghệ bù để giảm thiểu nhược điểm công nghệ chế tạo sử dụng loại P [8] Hình mơ tả kết cấu mạch so sánh động-lật với đầu vào cặp transistor... mạch so sánh hữu Cấu trúc mạch so sánh thường kiểu hai tầng gồm khuếch đại mạch lật hồi tiếp dương Mặc dù ưu điểm mạch chịu ảnh hưởng nhiễu dội ngược loại bỏ offset linh kiện, lại tiêu thụ cơng suất. .. qủa chạy mơ cho thấy mạch tiêu thụ công suất sườn lên hay xuống xung nhịp Vì cơng suất tiêu thụ trung bình giảm thiểu cách đáng kể Khi điện áp đầu vào tăng, công suất tiêu thụ mạch giảm ngược lại