Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm

Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm

3356-2

L GIỚI THIỆU CHƯNG VỀ NỘI DƯNG NGHIÊN CÚU ĐÃ THỰC HIỆN

2 CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY

2.1 Sensor điện hóa - Khái quát chung 2.2 So sánh các phương pháp đo thường gặp 2.3 Các ứng dụng của phương pháp vôn kế

3 THIẾT KẾ SENSOR

3.1 Mô hình điện cực 3.2 Kết luận

4 THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ

4.1 Thiết kế chỉp

4.3 Các chân chức năng digital 4.4 Mô phỏng hoạt động của mach

5 THIẾT KẾ LAYOUT

5.1 Thiết kế từng phần tử sensor 5.2 Layout của phần mạch Digital 5.3 Thiết kế chip mạng sensor

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3396-8

Mục tiêu của đề tài:

Đào tạo đội ngũ cán bộ khoa học - công nghệ có trình độ cao, đủ khả năng thiết kế, chế tạo và sử dụng CSIC để có thể dap ứng được nhu cầu phát triển nhanh chóng của

ngành điện tử trong nước cũng như trên thế giới

Xây dựng cơ sở thiết kế CSIC hiện đại theo kịp mức độ phát triển nhanh chóng của

các nước

thành phẩm có độ tổ hợp từ 10.000 cổng/chip trở lên, giải quyết các nhu cầu về thay thế

các hệ thống bảng mạch lớn trong nước,

_ Nghiên cứu lý thuyết phương E pháp thiết kế các đầu dé théng minh (smart sensors)

để xử lý tín hiệu trong y tế, đo | tng [

Nội dung nghiên cứu

e Xây dựng tổng quan về công nghệ thiết kế CSIC hiện đang áp dụng trên thế giới e Định hướng cho việc chuẩn bị cơ sở vật chất để triển khai công nghệ thiết kế CSIC

tại trung tâm công nghệ Vị điện tử và tin học

e Xây dựng qui trình công nghệ thiết kế ASIC sử dụng bán thành phẩm có độ tổ hợp

rất cao (trên 10 ngàn cổng/chip) trên điểu kiện cơ sở vật chất của trung tâm Công nghệ Vi điện tử và tin học

e Nghiên cứu khảo sát các thông số công nghệ trong quá trình chế tao IC cua cdc hãng khác nhau trên thế giới

e Tìm đối tác và chọn các thiết kế ứng dụng thực tế

Nhu cầu kinh tế - xã hội, địa chỉ áp dụng

Cùng với sự phát triển của ngành điện tử, đòi hỏi của người sử dụng cũng ngày càng cao Các thiết bị điện tử đang ngày càng chuyển đần sang ứng dụng kỹ thuật số điều đó làm tăng khả năng sử lý số liệu và điều khiển tự động cũng vì thế nên trong những năm gần đây xu hướng áp dụng các mạch ASIC số tăng lên rõ rệt Ngày nay với khả năng của nền công nghệ tiên tiến cũng như các yêu cầu bức xúc của thực tế việc nghiên cứu công nghệ thiết kế và chế tạo mạch vi điện tử hỗn hợp S6-Tuong tu (Mixed Mode ASIC) chuyén dụng là cần thiết Địa chỉ ứng dụng là các dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động, các khí tài quân: sự

Mô tả phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tham khảo các chương trình nghiên cứu của các Viện nghiên cứu công

nghệ Vi điện tử như MIMOS - Malaysia, MEC, UniSA tại Nam úc, NMRC - Ireland,

IME - Singapore Kinh nghiệm triển khai công nghệ ASIC của Viện công nghệ Vi điện tử và nhu cầu bức thiết của thị trường Phương pháp nghiên cứu dự kiến triển khai là sử dụng các cơ sở phần mềm chuyên dụng, xây dựng bổ sung cơ sở phần cứng thích ứng,

áp dụng các kết quá nghiên cứu của nước ngoài và các kết quả nghiên cứu của cán bộ

thuộc trung tâm Vị điện tử triển khai thành công tại các nước Úc, Đài loan để giải quyết các bài toán do thực tế Việt nam đặt ra, triển khai trên các hệ thống thiết kế của ta và chế tạo tại các cơ sở công nghệ của các nước.

1 Giới thiệu chung về nội dung nghiên cứu đã thực hiện:

Ngày nay cùng với sự phát triển của các khoa học công nghệ phục vụ tự động hoá

các quy trình sản xuất, nhu cầu về tự động hoá đo lường cũng phải phát triển Một

trong những yếu tố quyết định về độ chính xác của phép đo là hệ thống các cảm biến hay còn gọi là sensor Để tự động hoá được các phép đo chính xác cần phải tập trung

nghiên cứu các hệ thông đầu dò thông minh Do vậy để tài chúng tôi tập trung nghiên

cứu và giải quyết vấn đề thiết kế hệ thống vi đầu dò điện hoá thông minh phục vụ công nghệ sinh học và công nghiệp hoá chất Thông qua đối tượng nghiễn cứu cụ thể như

vậy đã cho phép cũng một lúc giải quyết các yêu cầu của mục tiêu đề tải Đối tượng

nghiên cứu của đề tài là mạch vi điện tử có chứa ma trận đầu dò điện hoá và hệ thống

mạch điểu Khiển, gép nối Hệ Thống mạch gép nối dược thiết kế đề khuyếch đại, chuyển đối tín hiệu và địa chỉ hoá các đầu nhạy trên chíp Như vậy, để giải quyết bài toán thiết Kế mạch vị điện tử chuyên dụng hỗn lợp TEơng tự - Số được chúng tôi tiến

hành trên một đối tượng cụ thể, có ý nghĩa thực tế cao

Với định hướng này, chúng tôi đặc biệt quan tâm tới các hệ cảm biến (sensor) hoá học nhạy với các loại khí hoặc/hỗn hợp khí hoặc mùi vị Từ những kiến thức cơ Bản cỡ bản về quá trình hoá lý của đối tượng nghiên cứu này kết hợp với công nghệ thiết kế ASIC có thể tạo ra rất nhiều ứng dụng khác nhau

Để thực hiện dự định này, chúng tôi sử dụng dãy các phần tử sensor dé tang do

nhận biết, nâng cao số kênh tín hiệu, phương pháp này thường được sử dụng trong

nhiều lĩnh vực như: sensor quang cho mat robot, sensor hiéu ứng Hall cho card từ và

Hai phương thức đầu thường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực diện hoá, cồn phương thức thứ 3 ít được sử dụng hơn vì không thích hợp đối với môi trường dẫn điện

Trong hầu hết các ứng dụng sinh hoá thì sensor cần nhạy theo dải nồng độ hỗn hợp, nên các phương pháp đo theo điện thế đã được chú trọng phát triển cách dây một vài thập kỷ Như đã biết, việc sử dụng các loại sensor thế đã khắc phục những khó khăn do hiệu thế bể mặt gây ra và chống được tạp điện hoá do trở kháng điện cực cao Vì dòng điện sinh ra ở các điện cực rất bé, thường nằm trong khoảng từ nA đến pA

Với công nghệ vi điện tử hiện tại chúng ta hoàn toàn có thể tập hợp các thiết bị này vào một chip để tạo ra một một thế hệ sensor mới, được goi là sensor thông mình, Nếu

kết hợp giữa một ma tiận các phần tử cảm biến và mạch tích hợp thì một chíp micro

sensor điện tử sẽ trở thành một hệ sensor hoàn hảo

Quy trình nghiên cứu của chúng tôi sẽ tiến hành theo sát quy trình công nghệ chế tạo mạch vi điện tử Nội dụng đã thực hiện (các ô có nền dâm) dược đánh dấu Lrên quy trình, trừ công đoạn chế tạo mật nạ Những công đoạn còn lại lên quan đến phần công nghệ trên phiến hiện chưa đủ điều kiện thực hiện trong nước Chúng tôi dự định sẽ thực hiện chúng trong giai đoạn sau trên cơ sở triển khai dự án hợp tác KHCN với Hàn Quốc, cụ thể với Viện ETRIL

xác định mys nn Lựa chọn công nghệ Xôy dựng bộ tham số

(chức năng mạc n kiém tra

Mô phỏng hoạt động

« Tiễ

(Công nghệ trên phiến) (Testing) thủ nghiệm

Hình 1.1 Công nghệ chế tạo mạch vi điện tử

Mục tiêu cụ thể của chúng tôi là: Nghiên cứu thiết kế một chủng loại ASIC hỗn hợp có chứa ma trận các phần tử nhạy dòng, các bộ khuyếch đại dòng và các khối chức năng điện tử khác Sơ đồ khối của hệ thống dự định được trình bày trên hình 1.2

Bits dia chi

SS=———————

Bits điều khiển

; MQ trộn các ô : sensor : Mach Multiplexer

Gidi ma địa chỉ

Mach d/k logic

Hinh 1.2 Sơ đồ khối chíp và phần giao tiếp bên ngoài

Mỗi phần tử cảm biến ở đây bao gồm một điện cực, một bộ chuyển đổi tir ddng

sang thế và một bộ điều khiển logic số dùng để điều chỉnh các phương thức hoạt động của từng phần tử và thiết lập giải mã địa chỉ cho chúng (Hình L.3).

86 khuyéch dai

! | © mach logic Ị

Hình 1.3 So dé don gian cba mét phan tu sensor

Trong các phép đo điện hoá, khi sử dụng phương pháp do dòng, điện cực chuẩn thường bị ăn mòn Để đảm bảo độ bển hoạt động của sensor và đơn giản hoá quá trình thiết kế cũng như chế tạo chip sau này, chúng tôi đề xuất sử dụng một diện cực chuẩn

bên ngoài Ngoài ra để tránh hiệu ứng phân tần điện tích theo bể mặt, sensor duoc diéu khiến ở chế độ nhạy ba chiều Cấu trúc đo như vậy dược biểu diễn trên hình 1.4

chip Mang loc

Hình 1.4 Phương pháp đo theo 3 chiều thông thường dối với một chíp sensor

1.2 Các mục tiêu thiết kế đặt ra để nghiên cứu

Mục tiêu dự kiến là thiết kế các phần tử sensor điện thế theo các yêu cầu sau:

e©_ Về khả năng ứng dụng

Phuc vụ cho nhiều mục dich ứng dụng Vì phương pháp này cho phép người sử dụng tự xác định mục tiêu ứng dụng thông qua việc chọn nguyên liệu phủ ở bước cuối cùng trong khâu chế tạo

* Áp dụng phương pháp do dòng

Điều này tiện lợi cho các ứng dụng trong sinh hoá, khi ứng dụng đo trong các dung dịch khác nhau, độ tuyến tính giữa tín hiệu ra và nồng độ lon của dụng dịch cần kiểm tra cũng khác nhau

e Tỷ lệ tín hiệu trên tạp cao

Điều này có thể thực hiện được bằng cách thiết kế thêm bộ khuyếch đại

e Dễ dàng ghép nối với một bộ vi xử lý hoặc một máy tinh

Điều này có thể thực hiện được bằng cách đặt vào mỗi phần tử một đơn vị điều khiển số và gần cho mỗi phần tử đo một địa chỉ

© Tốc độ hồi phục nhanh

Vì trong trường hợp này ô cảm biến được chế Lạo một cách dơn giản

Để đạt được các mục tiêu trên, quá trình nghiên cứu dược chía ra làm hai nội dụng chính: thiết kế sensor và thiết kế các mạch xử lý tín hiệu

1.2.1 Thiết kế sensor cần:

«® Chọn điện cực (Kết quả nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng cho thấy hình dạng và kích thước của mỗi điện cực được chọn bằng khoảng cách giữa các điện cực với nhau)

e Xác định giải điện áp của điện cực,

e Xác định các thông số đầu vào cho các khối mạch giao diện điện tử 1.2.2 Thiết kế mạch giao diện analog và đơn vị diéu khién digital:

Bao gồm các bước thiết kế sau đây:

e Thiết kế Bộ chuyển đổi từ dòng sang thế

e Thiết kế sensor đơn: chuyển mạch công suất, quét kiểm tra

e Thiết kế ghép các sensor thành ma trận: giải mã địa chỉ, mạch phát xung đồng

hồ và mạch điều khiến chế độ do

2 CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY

Để có thể thực hiện việc thiết kế sensor điện hoá chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu

li mi (ai liệu về sensor thế, phần này sẽ giới thiệu tóm tắt các kết quá dó

2.1 Sensor điện hoá - Khái quát chung 2.1.1 Lý thuyết điện hoá

Khi nhúng một điện cực vào dung môi thì phản ứng xảy ra rất phúc tạp Trong hình 2.1 biểu điễn những biến đối quan trọng như: Sự tiêu hao của điện cực, chuyển đổi khối

lượng, sự thay đổi nồng độ dung môi, sự thay đổi các tham số điện và các biến đổi của

môi trường bên ngoài Tất cả các biến đổi này sẽ ảnh hưởng đến phản ứng điện cực

(1,4,6].

mm TE BAO DIEN HOA Tham số

-Thời gian - Điệu tích

Tham số chuyển dịch Tham số

- Tính chuyển đổi yong Fe kno! của - Vật liệu

- Mật độ bẻ niặt | - - Độ hoà tan - Hình dạng là Độ hấp thụ I - Độ pha tap - Trạng thái bề mặt

|

Hình 2.1 Mô tả những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng điện hoá ở diện cực Khái niệm điện hoá đề cập tới sự chuyển dời của các điện tích đi qua mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung môi Sự chuyển dời này thông qua mặt tiếp xúc, bao gồm chuyển đời ion và chuyển đời điện tử Khi hai điện cực được đặt trong dung môi, giữa chúng tồn tại chênh lệch về điện thế Thí nghiệm điện hoá chủ yếu đề cập tới việc xác định,

đo dòng và thế của các phần tử điện hoá

Để đơn giản trong trình bày mô hình nghiên cứu, ở đây chỉ nêu ra một tiếp xúc điện cực - dung môi Điện cực mà tại đó có xu hướng hút điện tử gọi là điện cực tích cực (hay còn gọi là điện cực làm việc) Một điện cực với thế không đổi được gọi là điện cực chuẩn Hiệu điện thế thường được so sánh giữa điện cực tích cực với điện cực

chuẩn

Khi tăng điện áp ngược thì thế năng trên điện cực tăng, tới giá trị đủ lớn để làm chuyển đời các ion trong dung môi, điện tử chạy từ điện cực vào dung môi, nên dòng điện chạy qua mặt tiếp xúc điện cực tích cực - dung môi tăng Nếu đặt điện thể càng dương vào điện cực thì năng lượng các điện tử càng giảm, đến một giá trị nào đó thì điện tử có trơng dung dịch có thể chuyển tới điện cực Những điện tử này chạy từ dung môi tới điện cực tích cực và tạo ra dòng điện ôxy hoá Điện cực tại đó dòng điện ôxy

hoá chạy ra gọi là anod Điện cực mà tại đó dòng điện chạy vào gọi là catốt

Thế ngưỡng (giá trị điện thế mà tại đó phản ứng điện hoá bắt đầu xảy ra) bị ràng buộc bởi thế chuẩn E”, điện thế này được xác định bởi mức độ phản ứng của kim loại trong dung dịch

Các quá trình nhiệt động trong buồng điện hoá

Khi một điện cực được đặt trong một dung môi thì sự chênh lệch về thế sẽ xây ra và có thể xác định được nếu đem so sánh với thế điện cực chuẩn Phương trình oxy hoá

/khử tổng quát có dạng như sau:

aO + ne 2) bR €

ở đây:

O = chất bị oxy hoá R = chất bị khử

n_= số điện tử trên một mol bị oxy hoá hoặc bị khử a,b các chỉ số

Khi ở trạng thái cân bằng thì không có dòng điện chạy trong mạch, do đó có thể

viết phương trình nhiệt động học như sau |3]:

T Nhiệt độ tuyệt đối

F Hang s6 Faraday = 96487|C/mol]

Đó chính là phương trình Nernst, phương trình này cho phép xác định thé oxy hoá khử tổng quát và những thành phần tham gia phản ứng của chất bị oxy hoá và của chất

bị khử khi cân bằng hệ phương trình

Phương trình 2.3 là dạng tổng quát bao quát các vấn đề của quá trình diện hoá

Té bao điện hoá hai lớp

Theo Stern và Graham tại mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung môi sẽ xảy ra sự điện

hoá kép.

Mô hình điện tích bám xung quanh các điện cực được mô tả như hình 2.2 [9]

Hình 2.2 Mô hình điện tích bám xung quanh các điện cực được mô tả như,

Phần tiếp xúc giữa dung môi và điện cực sẽ tồn tại nhiều lớp, lớp gần điện cực nhất chứa dựng những nguyên tử dung môi và các lon Lớp trong cùng này gọi là lớp

helmholtz hay là lớp Stern Mật phẳng trung tâm của vùng ion đặc biệt này được gọi là mặt phẳng helmholtz nội Mặt phẳng này cách điện cực một khoảng X,

Lược đồ thế trong dung dich được mô tả như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ thế theo mô hình cha Stern va Granham

Ngoài đoạn đồ thị tuân theo quy luật hàm mũ của lớp khuyếch tán còn có đoạn tuyến tính Tổng hai lớp kép bây giờ có thể xem như hai tụ diện nối tiếp Điện dung

tổng cộng sẽ bé hơn các điện dung thành phần của mỗi tụ

9

Lớp điện hoá kép đóng vai trò quan trọng đối với chất lượng của sensor điện hoá, 2.2 So sánh các phương pháp đo thường gap [18,22]

2.2.1 Do dién thé

M6 ta: Theo phương trình Nernst thì tín hiệu (thế) đầu ra tỷ lệ loga với nồng độ các chất tham gia phần ứng trong dung dịch Như vậy một sự thay đổi nhỏ của nồng độ các chất sẽ xuất hiện điện thế với độ lớn khoảng 59,2mV tại 25°C, Vì vậy diện kế có thể đo được nồng độ trên một dải rất lớn Do đó Sensor điện kế được đặc biệt quan tâm

đo dải nống độ đo được là rất lớn và không có các phản ứng phụ trong quá trình đo

Các hạn chế: Điện thế đo được có thể không chính xác, do ảnh hưởng của các thế bề mặt chất lỏng, nhiễu điện hoá khi điện cực có trở kháng cao và ảnh hưởng của các điện dụng phụ và phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố có trong dụng dịch Hơn nữa

sự phụ thuộc của tín hiệu với nồng độ theo loga sẽ không chính xác bằng phương pháp

Vôn kế vì tín hiệu trong trường hợp này sẽ tỷ lệ tuyến tính với các chất tham gia phản ứng

2.2.2 Đo độ dẫn

Mô tỉ: Độ dẫn kế là dụng cụ đo lường độ dẫn của dụng môi bằng cách đặt mội thế hiệu xay chiều biên độ nhỏ vào và đo cường độ dòng điện xoay chiều đầu ra Sensor sit dụng phương pháp này thường đơn giản và rẻ tiền nhất Trang bị điện tử khác cũng rất đơn giản Loại sensor này vẫn hoạt động rất tốt đối với các loại môi trường không dẫn như là khí trơ, nước nguyên chất hay loại dung môi không dẫn điện khác

Các hạn chế: Loại Sensor này bị hạn chế khi môi trường là dẫn hoặc í† dẫn 2.2.3 Phương pháp von kế

Mô tả :Vôn kế là dụng cụ do thế khí có đồng điện chạy trong mạch tỷ lệ với thế hiệu dal vao Tuy theo dạng tín hiệu đặt vào mà người ta quy định các loại Sensor vôn kế khác nhau Ví dụ như là vôn kế vong và vôn kế quét tuyến tính

Tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với nồng độ các nguyên tử kim loại tham gia phần ứng

với dung dịch Do sự phụ thuộc tuyến tính của nồng độ vào dòng điện nên Sensor thé

rất thông dụng và sử dụng cũng rất dễ dàng

Loại Sensor này được ứng dụng trong lĩnh vực sinh hoá khi nồng độ chỉ thay đổi trong không lớn.Trong lĩnh vực thông thường thì Sensor dòng và thế dược ting dụng

rộng rãi hơn loại Sensor điện kế

Các hạn chế: Sensor loại này phải có kích thước dủ lớn, bởi vì nếu kích thước bé thì tín hiệu đầu ra sẽ nhỏ vì cường độ đồng điện tỷ lệ thuận với điện tích điện cực

Như vậy phương pháp vôn kế có tính ưu việt hơn hân các phương pháp khác wong lĩnh vực sinh hoá Đo đó, chúng tôi sẽ dựa vào nguyên lý hoạt động của vôn kế để thiết kế Sensor

Những hạn chế chủ yếu của phương pháp này đều liên quan đến mạch giao diện điện tử nhưng có thể giải quyết được bằng cách sử dụng các Sensor thông minh khi

khuyếch đại tín hiệu

Trong cách này thiết bị do lường có thể rất dơn gián và Sensor cũng có thể dé đàng

2.3 Các ứng dụng của phương pháp vôn kế 2.3.1 Cấu trúc điện cực [19]

10

Hệ hai điện cực: Hệ hai điện cực bao gồm một điện cực chuẩn và một điện cực tích cực Điện thế được đặt vào các cực của buồng điện hoá và dòng được đo theo qua thế Đối với loại Sensor ampe kế hệ hai điện cực thì thường có hạn chế:

Khi đồng điện chạy qua điện cực chuẩn điện cực này sẽ bị phân cực và do đó sẽ xảy ra tràn thế, do đó thế tại điện cực là không xác định Sự phân cực này có thể tránh được, nếu sử dụng điện cực chuẩn rất lớn còn điện cực tích cực thì rất bé Cách này cho mật độ đồng thấp, dẫn đến hạn chế sự phân cực của điện cực chuẩn

Một hạn chế khác của hệ thống hai điện cực là thế được đặt lên tất cả các phần tử, trong lúc chỉ cần đặt vaò vùng tiếp giáp giữa điện cực tích cực và dung môi Kết quả thu được sẽ có sai số, nếu dòng điện chạy qua dung môi và điện trở của nó không là vô cùng bé Trong phương pháp này muốn đo chính xác bằng sensor thường thì dung dịch phải có điện trở cực nhỏ và hai điện cực phải đặt rất gần nhau

Trường hợp dùng vi điện cực thì mật độ dòng bé, nên điện trở này có thể để dàng được bỏ qua

Hình 2.3 Hệ hai điện cực và hệ ba điện cực

Sự tiêu hao vật liệu của điện cực chuẩn cũng là một vấn để cần quan tâm trong hệ thống hải điện cực Một thí dụ quan trọng cho loại sensor này là sensor ôxy, hệ gồm

một điện cực tích cực bằng vàng và một điện cực chuẩn Ag/AgCIl Quá trình kkử oxy

xảy ra ở caltốt (điện cực tích cực), quá trình oxy hoá của Ag và AgCI thực hiện ở anốt

nói cách khác nguyên tử bạc Ag ở điện cực chuẩn bị tan ra Điều này có thể khắc phục

được bằng cách dùng điện cực chuẩn có kích thước lớn và điện cực tích cực bé, nhưng điều này khó có thể thực hiện trong thiết bị vi điện tử [2ì |

Ưu điểm của hệ hai điện cực là sự thiết kế hệ đo rất đơn giản

Hệ ba điện cực

Đối với loại sensor thông thường, để thay thế hệ hai điện cực người ia sử dụng cấu trúc điện áp theo hệ ba điện cực Ngoài điện cực chuẩn và điện cực tích cực người ta còn bố trí một điện cực đệm, hay còn gọi là điện cực phụ như hình 2.3 Điện cực chuẩn trong trường hợp này được phân thành hai phần:

Mot điện cực chuẩn chính cho điều khiển điện ấp và một diện cực phụ điều chỉnh đồng qua dung môi

ˆ Trong hệ ba điện cực người ta điểu chỉnh dòng sao cho dòng điện tại điện cực phụ

tỷ lệ với thế đặt vào.

Điều này có thể thực hiện được bằng một khuyếch đại thuật toán như hình 2.3

Cơ chế hoạt động trong trường họp này có thể trình bày nhụ sau:

Điện áp được đặt vào đầu vào dương của khuyếch đại thuật toán Điện cực chuẩn được nối với cực âm và thiết lập rnột thế không đổi đối với dụng dich,

Điện cực phụ được nối với đầu ra Khuyếch đại thuật toán sẽ cung cấp dòng đi vào dung dịch qua điện cực phụ này Do có hồi tiếp qua bộ khuyếch đại thuật toán nên cường độ dòng điện được điều khiển bởi thế tại dầu vào âm tương dương với thế đầu

vào dương

Do vậy, độ lệch điện áp giữa điện cực tích cực và điện cực chuẩn sẽ tương dương

với thế đặt vào, Theo đặc điểm trở kháng đầu vào của khuyếch đại thuật toán là rất cao cho nên dòng điện không chạy qua điện cực chuẩn nhưng điện áp vẫn được xác định và không phụ thuộc vào mật độ dòng Dòng điện sẽ được do tại điện cực hoại động, dòng điện này đồng nhất với dòng điện chạy qua diện cực phụ nếu không tổn tại dòng ký sinh (hình 2.4)

Hệ ba điện cực yêu cầu một hệ thống do lường phúc tạp hơn và nó phải có các nguồn phụ trợ Hơn nữa nếu diện cực chuẩn bị hỏng hóc hoặc đường nối với điện cực chuẩn bị đứt thì tín hiệu không có thế hồi tiếp và do vậy một điện áp cao sẽ xuất hiện tác động vào điện cực phụ diện áp này có thể lớn hơn 100 V

2.3.2 Mat vi dién cuc cho sensor ampe kế [7]

Trong các ting dung dé ché tao sensor, thi phuong pháp ampe kế là lý tưởng Vì thiết bị do lường đơn giản và đồng đo dược tỷ lệ tuyến tính với nồng độ các chất tham gia phản ứng Phương pháp này thường được sử dụng hơn là phương pháp quét tuyến tính khi mà yêu cầu thế điện cực không có bảo vệ

Trong điều kiện khuyếch tán theo hai chiều và điện cực đủ rộng, dòng diện biểu

diễn theo thời gian được mô tả theo phương trình Cottrell:

Trong thực tế, bạn đầu đồng điện gần nhw tuan.theo phuong tinh Cottrell sau dé sé tiến tới một giá trị tới hạn không thay đổi sau chừng 10 đến 30 giây

Dòng diện không dối này do hai nguyên nhân:

Nguyên nhân thứ nhất là sự mở rộng không có giới hạn của lớp khuyếch tắn tầng

theo 1! được ngăn chặn bởi sự đối lưu trong dụng dịch, sau một khoảng thời gian nào

đó độ rộng của lớp khuyếch tán sẽ trở nên không đối theo thời gian

Nguyên nhân thứ hai, điện cực thông thường không hoại động dưới điểu kiện

khuyếch (án nhiều chiều

Sự so sánh giữa các dạng điện cực khác nhau này và kết quả đo được của hệ vị điện cực được trình bày trên hình 2.5 Qua hình 2.5 thấy ràng, kết quả của dạng điên cực phẳng cũng tương tự như loại điện cực trụ hoặc điện cực cầu và do đó mối liên hệ Cottrell sé két hop chặt chế với một hằng số

Dong { nA] Nồng độ O, 0,26mM | - Thực tế đo

160 2 - Theo Cottrell 3 - Điện cực hình cầu „ 4- Điện cực hình trụ

120 80 40

0

Thời gian [sec]

Hình 2.5 So sánh giữa các dạng khác nhau này và kết quả đo được của hệ vi điện cực

Uu điểm của loại ví điện cực so với các loại điện cực thông thường khác được tổng

kết lại như sau :

® Tăng mật độ dòng, nhờ quá trình khuyếch tán không tuyến tính Kết hợp với sự thiết lập nhanh các trạng thái chốt theo Clock làm cho độ nhạy tăng

© Cho phép tiến hành phép đo với tần số quét rất cao

«® Giảm thế đặt vào điện cực do dòng bé, nên cho phép tiến hành phép do với các dụng dịch có trở kháng cao mà vẫn dùng cấu trúc hai điện cực,

e Diện tích bề mặt bé làm cho điện dung lớp kép giảm, do d6 sé do dược dòng Faraday trong khoảng thời gian rất ngắn, điều đó có nghĩa là tăng khả năng đồ tìm

3 THIẾT KẾ SENSOR 3.1 Mô hình điện cực

Trong công trình này, kiểu dạng của điện cực sẽ là vị điện cực, Do đó dòng qua

13

điện cực là rất nhỏ, nên có thể chọn giải pháp hai điện cực, Do vậy sensor sẽ bao gồm một điện cực làm việc và một điện cực chuẩn

Trong trường hợp điện cực chuẩn được bố trí trên cùng một chip, thì việc sử dụng

sensor sẽ thuận lợi hơn, nhưng việc chế tạo sensor sẽ phức tạp hơn Hơn nữa, đối với

loai sensor 6xy hod điện cực chuẩn sẽ bị ăn mòn, do đó làm giảm thời gian sống của sensor Để giải quyết mâu thuần này chúng tôi chọn phương án sử dụng một điện cực chuẩn ở bên ngoài, cấu trúc sensor bây giờ đơn giản chỉ là thiết kế điện cực lầm việc

Theo nguyên lý hoạt động của sensor ampe kế, diện tích điện cực sẽ quyết định độ lớn của tín hiệu ra Nhưng đặc tính của tín hiệu cũng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác

như hình dạng và diện tích xung quanh của các điện cực

Diện tích điện cực được thiết kế dựa trên sự cân đối giữa tỷ số tín hiệu trên tạp, thời gian phục hồi và đồng ra của tín hiệu, Chúng tôi chọn diện tích điện cực trên cơ sở các phân tích sau:

Tín hiệu dầu ra của một sensor ampe kế tý lệ thuận với diện tích điện cực, nhưng tap 1/f thi ngược lại Điều này nói lên rằng điện cực nhỏ sẽ tạo nên dòng bé và phần tạp cao Do đó nếu chế tạo điện cực lớn thì sẽ có độ ổn định cao

Thời gian phục hồi và dòng ra sẽ giảm nếu diện tích điện cực lớn, do vậy theo cách nhìn này thì nên sử dụng điện cực có diện tích nhỏ

Hình dạng điện cực đóng một vai trò quan trọng để quyết định các đặc tính của

sensor Đặc biệt trong trường hợp mật độ dòng thấp thì cần phải quan tâm đến hình dạng của điện cực để xác định mật độ dòng đầu vào cho phần điện tử,

Về khoảng cách giữa các điện cực: Theo phương trình Cottrel, độ dày của lớp khuyếch tán sẽ mở rộng ra theo t!2, Nếu khoáng cách điện cực không đủ rộng thì sẽ xảy ra hiện tượng chồng chéo của các lớp khuyếch tán và sẽ tao ra các sai lệch trong do

nghiệm (sau 50 giây) chỉ ra ở hình 3.1 (lấy theo các đường đẳng trị) và hình 3.2 (vẽ theo không gian ba chiều) Tất cả các điện cực đều cùng kích thước Khoảng cách giữa các điện cực ở mảng B lớn hơn ở mảng A

Kết quả cho thấy ở máng vị điện cực Á có sự chồng chéo của các lớp khuyếch tán của từng điện cực Phần giao nhau của lớp khuyếch tấn ở các vi điện cực này sẽ tạo ra

sự bất ổn định của đồng ra (hình 3.3)

Hình 3.2 Phân bố ba chiều của hai mảng sensor ampe kế

Đối với máng B sự di chuyển của các thành phần tham gia hoạt động tới các điện cực là tương đương nhau do đó các đặc trưng cường độ đồng theo thời gian là như nhau Đối với trường hợp mảng A thì khác hẳn, điên cực trung tâm (số 4)-sẽ có ít phần tử đi tới nhất và do đó sẽ có cường độ dòng bé nhất (hình 3.3)

Hình 3.3 Đồ thị đặc trưng về đồng điện tại các điện cực của mảng A và B

Qua kết quả mô phông ta có thể chọn kích thước điện cực dựa trên tổng diện tích chíp, diện tích đành cho phần điện tử và kích thước điện cực lý thuyết

15

if

nan anne ane an

Hình 3.4 Mô hình mạng điện cực với kích thước là 100 /øn x 100 /m

Kích thước của điện cực trong báo cáo cla Karero (1994)[10] va Hermes (1995)

(7) 1&8 50 um x 50 gun, và có thé 1a 40 yun x 80 um Trong khi dé dién tich chiém chỗ

của bộ chuyển đổi đồng ra thế theo báo cáo của Turner (1987) [30|, Sansen (1990) va Kayero (1994) déu 14 300 sam x 300 am

Mô hình mạng điện cực được chỉ ra ở hình 3.4 Kết quả nhận được của một thành phần được chỉ ra ở hình 3.5

Mật độ dòng J và sự mở rộng lớp khuyếch tán (đ) tương ứng đo được

Qua đó cho chúng ta thấy khoảng cách tối thiểu giữa các diện cực để có độ nhiễu

xạ bé nhất cỡ khoảng hai lần ổ

Đối với một thành phần điện cực kích thước 100/¿n x 100, hệ số khuyếch tán

của dung môi D„ = 1,0.10'9m?” sau các khoảng thời gian khác nhau (1,10,60 giây) Do mức độ tuyến tính của đồng điện với các nồng độ các chất hoà tan và hầu hết đải nồng độ của các ứng dụng đều nằm trong khoảng từ 1 cho đến 10°Mol/mỶ cho nên giá trị dồng diện có thể được tính như sau:

i=nxCyxJ Trong đó:

n là số điện tử trao đối của phản ứng + ne =R khoang cach (um)

cường độ dòng dién (nA) Cg: nồng độ (Mol/m3)

Thời gian | Mật độ dòng Khoảng cách (4) để có ảnh

điện phân (J=UnGC,) hưởng qua lại giữa Các cực Dòng ra (I =nC¿ x J)

sec] inA m? mol] là nhỏ nhất [pun}

m3 sau các khoáng thời gian

16

Hình 3.5 Sơ đồ vẽ các đường cùng nồng độ phía dưới các điện cực

với kích thước các điện cực là 100m x 100 /øn, và hệ số khuyếch tán theo thời gian là 1,0x10'm°s” và đặc trưng dòng-thời gian của nó

3.2 Kết luận:

e©_ Dải cường độ dòng điện nằm trong khoảng từ pF đến nF

e Khoảng cách tốt nhất giữa các điện cực là 120/z„nvà đo trong khoảng pA sẽ

không mất quá 10ms

® Khoảng cách 100/mzzđược chọn làm khoảng cách giữa các điện cực còn kích thước các diện cực phụ thuộc vào khoảng mà các giao diện diện tử chiếm giữ để có được tỷ số tín hiệu trên tạp tốt nhất,

7

4 THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ

Những sensor chế tạo theo công nghệ vi điện tử sẽ đạt được những yêu cầu như:

Kích thước nhỏ, giá thành thấp và khả năng tái chế cao, có độ tích hợp cao Và có

nhiều đặc tính tốt như: độ sai sót thấp, tỷ lệ tín trên tạp cao và có khả năng điều khiển được bằng cách ghép thêm các mạch điều khiển (giao diện) điện tử trên cùng một chp Hơn nữa khả năng thích ứng với các ứng dụng khác nhau và khả năng điều khiển cũng có thể được mở rộng nhờ sử dụng cấu trúc mảng

Ngoài khả năng khuyếch đại, biến đổi tín hiệu, sự tích hợp của sensor khắc phục

được các yếu điểm như là độ tuyến tính, độ nhạy xuyên kênh, sự thuy đổi nhiệt độ ,

điều chỉnh offset Mội cấu trúc mảng sensor không những tạo ra cho sensor trở thành một sensor đa năng mà còn nâng cao khả năng nhận biết của nó

Sự kết hợp giữa cấu trúc mảng và thiết kế phần điện tử sensor tích hợp trong cùng một chip sé dat duoc mét hé sensor thong minh boàn chính

4.1 Thiét ké chip

4.1.1 Các dac trung cua chip:

Các đặc trưng cơ bản đã được nêu ở phần l Ngoài ra căn cứ vào điều kiện sử dụng còn cần phải chú ý tới các đặc điểm sau:

e Các đầu ra của sensor nên nối với một đầu ra chung © Phải kiểm tra và hiển thị được các hoạt động của chịp

® Nguồn nuôi là +2,5V với đất chung, chỉ các phần tử được chọn mới thực hiện

phép đo để có sự tiêu tốn năng lượng thấp nhất

Đầu ra Hiển thị Đồn vòo Đầu vào Power Analog hoạt động địa chỉ: đều khiển supplies

Hình 4.1 Các thành phần chức nang cia mot mang sensor

4.1.2 Thiết kế chức năng

4.1.2.1 Thiết kế chức năng cho mỗi phần tử sensor

Theo các kết luận rút ra ở trên đây mỗi phần tử sensor sẽ có một bộ khuyếch đại dòng để khuyếch dại tín hiệu, một bộ logic số để dat mode hoạt động và xác định địa chỉ Hình 4.2 là sơ đồ khối của mỗi phần tử sensor.

Bộ chuyển đổi dòng - thế

Do tín hiệu ra của sensor là dòng do đó cần có một bộ khuyếch dại dòng (bộ chuyển đổi dòng - thế ) Nguyên tắc của bộ chuyển đổi đồng - thế dựa trên độ suy

giảm điện áp trên trở kháng 2, khi đồng ( ¡ ) chạy qua Độ suy giảm diện áp là : L=⁄x 1

Trở kháng Z có thể là trở thuần ( khi tần số là không đổi ) hoặc là tụ điện C, lúc

này trở kháng tương đương là 2 = /C 1 (f là tần số tín hiệu) dây là nguyên lý của

chuyển mạch điện dung

Enable đồng bộ Hòng Cột Xung chuyển

Hình 4.2 Sơ đỗ khối chức năng của mỗi phần tử sensor

Mạch logic:

Chức năng của mạch logic là giải mã địa chỉ và điều khiển chuyển mạch

Khi một phần tử sensor được chọn, thì đầu ra của giải mã địa chỉ của phần tử đó sẽ ở mức cao Điều này sẽ làm cho chuyển mạch analog hoại động để:

e_ Đóng nguồn cho bộ biến đổi dòng - thé

e Nối dòng từ điện cực hoặc từ đầu vào kiểm tra (est pađ) tới đầu vào của bộ biến đổi dòng - thế

œ Nối đầu ra của bộ biến đổi dòng - thế với đầu ra chung của hệ thống

Ngoài ra các chuyển mạch analog cũng được điều khiển bởi tín hiệu diều khiển phương thức hoạt động

Bộ đệm địa chỉ dùng để duy trì địa chỉ của phần tử được chọn tai thời điểm bất đầu của mỗi chu kỳ đo Các bộ đệm này cũng cho phép phối hợp địa chỉ để tạo thành nhóm tại một thời điểm bằng cách đặt trước

Bộ phát xung đồng hồ phát ra các xung dọc địa chỉ (khi bắt đầu đo) và các xung

chuyển mạch

Hình 4.3 Sơ đồ khối chức năng chip

Các phần tử quan trọng khác là: mạch điều khiển xung đồng hồ, các chân vào/ra và các đệm analog đầu ra

e _ Bộ điều khiển sử dụng để điều khiển các đường nối và các cổng

e _ Các chân hai chiều vào/ra được sử dụng để hiển thị các tín hiện chuyển mạch bên trong ở mode thường và nhận dạng tín hiệu chuyển mạch bên ngoài nếu là

mode có đồng hồ bên ngoài

e© Các đệm analog đầu ra sẽ làm tăng mật độ dòng ra và có thể điều khiển đệm và

tải

4.1.3 Thiết kế bộ logic và các mạch đệm

Đầu tiên sẽ thiết kế bộ biến đổi dòng_ thế, thiết kế một phần tử sensor hoàn chỉnh

và sau cùng là thiết kế chip logic Các mạch số sẽ sử dụng các bộ logic CMOS Mức

cao là 2,5V và mức thấp là -2,5V,

4.1.3.1 Thiết kế bộ biến đổi dòng thế sử dụng chuyển mạch

Bộ chuyển đổi dòng - thế này gồm ba phần có tên gọi là tầng tích phân, tầng lấy mẫu và tầng chốt Ngoài ra còn có các tụ điện chuyển mạch và cẩn ba khuyếch đại thuật toán

20

Đối với cấu trúc mảng sensor sẽ có rất nhiều các phần tử mà mỗi phần tử phải gắn với một bộ chuyển đổi thì rất phức tạp [24], vì vậy không thể thiết kế mạch tích phân và mạch chốt lấy mẫu riêng được

Mạch chuyển đổi dòng - thế được thiết kế như hình 4.4 Bộ mạch chốt lấy mẫu là cơ sở để xây dựng chuyển mạch tuyến tính

Để có đặc trưng lý tưởng thì các thành phần của bộ chuyển đổi dòng - thế phải có các đặc trưng sau :

Bộ khuyếch đại thuật toán phải có: ® _ Hệ số khuyếch đại rất cao

se Trở kháng vào cao, điều này có nghĩa là dòng đầu vào coi như bằng 0

Chuyển mạch analog phải có :

©_ Trở kháng cao khi ở trạng thái OEE và trở kháng bằng Ö khi ở trạng thái ON e® Không phụ thuộc điện áp đặt vào và dong điện chạy qua nó,

© Độ sai số về điện áp là vô cùng nhỏ và dòng rò bằng không

® Tín hiệu điều khiển chuyển mạch không ảnh hưởng tới tín hiệu đi qua chuyển mạch và ngược lại

Dạng tín hiệu chuyển mạch chính xác không xảy ra sai sót Trong quá trình đo tín hiệu đầu ra sẽ có dạng như hình 4.4

` so §wW3

se Khi ở trạng thái xung reset (®,„) : Điện áp ra Vuụ = 0, khoá SW3 sẽ ở trạng thái đóng và nó sẽ nối đầu ra tới đất ảo

e Khi trong thời gian tích _ : xd

e Trong thời gian chốt, khi đó khơi 5W2 sẽ ở trang thái đóng, không có dòng

chạy vào tụ Do đó điện áp của nó được giữ nguyên như giá trị sau quá trình

eTrong thời gian ®,„„ reset thi SW3 va SW5 sẽ đóng, điện áp đầu ra sẽ là:

® Trong quá trình chốt khoá SW1 mở còn khoá SW2 thì đóng các khoá khác giữ

nguyên trạng thái như trong quá trình Đụ, Chỉ có đồng rò là chạy qua tụ điện, Điện áp

dầu ra có thể được biểu diễn như sau:

22

Vou =A A (lin X Tieton - A A (= **) 49

Cc offset +——— C ( 9)

(A¢l)/ Atl

Phương trình (4.9) cho thấy tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại và độ lệch điểm 0 của khuyếch đại thuật toán, giá trị cũng như độ tuyến tính của tụ điện và độ chính xác của đồng hồ đo thời gian Do điện áp đầu ra sẽ được giữ bằng tụ điện trong một thời gian (quá trình chốt ) cho nên dòng rò tạo nên các sai số

Mặc dù mạch điện trong hình 4.5 là không phụ thuộc vào sai số điện ấp một chiều của khuyếch đại thuật toán nhưng đầu ra sẽ có một độ sai số điện áp rất nhỏ cỡ hàng milivôn (độ chính xác phụ thuộc vào độ lớn của tụ điện) do hiện tượng xuyên kênh của khoá SW3 Sai số này là vấn để quan trọng của các sơ đồ chuyển mạch,

Trong công trình này kỹ thuật CDS sẽ được bổ sung thêm các chuyển mạch cỡ nhỏ và sử dụng khuyếch đại hỗ cảm có cấu trúc đối xứng để giảm sai số và nâng cao chất lượng của mạch

Dong rò ở tụ điện và ở các chuyển mạch cũng là vấn để quan trọng Để đo các

dòng thấp (cỡ pA) mạch đo phải hoạt động trong tần số rất thấp và sai số đo dòng rò sẽ tăng lên nếu thời gian tăng (như thấy ở biểu thức thứ 3 trong phương trình 4.9), Do sự sai lệch đồng hồ cho nên thời gian tích điện sẽ bị thay dối, làm thay đổi tín hiệu đầu ra Độ sai lệch này có thể coi là AT nào dó :

4.1.3.2 Các phương án loại trừ hoặc giảm nhiễu :

Các chuyển mạch analog được sử dụng các chuyển mạch CMOS như hình 4.6 gồm

có một cặp MOSFET kênh p và kênh n và các đường điều khiển :

Hình 46 Chuyển mạch analog

Loại chuyển mạch này có đặc điểm là tín hiệu ananlog dầu vào và đầu ra có thể

biến đổi trong dải nguồn điện áp đặt vào So sánh với một loại transitor MOS ( pMOS

hoặc n-MOS) thì chuyển mạch này sẽ giảm cỡ một nửa lượng điện tích xuyên kênh, điện tích đi qua hai transitor sẽ bù trừ cho nhau

Để giảm hơn nữa độ xuyên kênh, người ta sử dụng các transHor cỡ nhỏ cho loại chuyển mạch này, với L = 1,2m và W= 2,4m

Từ phương trình 3.9, tín hiệu đầu ra tỷ lệ nghịch với giá trị của tụ điện Nếu sử dụng tụ có điện dung nhỏ, thì điện tích chíp sẽ giảm đồng thời tăng độ tích hợp Giá trị điện dung có ảnh hưởng lớn đối với tạp trắng Năng lượng của loại tạp này là tương

T

C chỉ cỡ (0.2HV)?, nhưng khi € = 0,L pE nó sẽ lên tới (0.2 mV}? Để thiết kế chúng tôi chọn C= 2.5 pE và với các điều kiện sau đây thì dải

đồng điện đưa ra như bảng 4.1

® Tụ,=0.5T„ ( thời gian đo)

e- độ thay đổi điện áp đầu ra là +IV và e© Độ chính xác của phép đo là 10mV

kT

đương với Cc: Nếu C = Inf,

Bảng 4.1 Sự liên hệ giữa tần số đo và dòng điện đầu vào

Giá trị cơ ban cia tu MOS [a Cy = 0.5 fF/tun” và do đó để có tụ điện 2,5 pF thi sé

chiếm một diện tích là 5000m2

24

Khuyếch đại thuật toán sử dụng trong trường hợp này phải đảm bảo các yêu cầu sau: độ rộng của dải khuyếch đại cao độ sai số điện áp điểm Ö thấp, ít nhiễu và có tỷ số chọn lựa điện áp nguồn cao Chúng tôi chọn phương án khuyếch dai hé dan {28}

Vdd

h_ d[ M12 1

M10 ba

Hình 4.7 Sơ đồ cấu tạo tầng đầu của bộ khuyếch đại hỗ dẫn

Độ hỗ dẫn của một transitor được xác định như sau: 8= 2 ly

2

Kich thuée hinh hoc ca cdc transitor sé dugc tinh sao cho dam bảo hệ số khuyếch đại là 3000 lần và dòng sẽ là 30HA Để dải khuyếch đại đủ lớn và phối hợp tốt thì nên chọn dòng đặt vào lớn Để giảm tạp nhiệt dầu vào sẽ sử dụng một cặp transHor có hệ số khuyếch đại lớn loại p-MOS

Tén Loại W/L [pun] Tén Loai W/L [tim]

Bang 42 Bảng liệt kê các transitor trong toàn bộ OTA

Mạch OTA hoàn chính và sơ đồ mạch hoạt động của nó được chỉ rõ ở hình 4.8 So với mạch điện ở hình 4.7 thì có sửa đổi chút ít, đặc biệt là có thêm các transitor M7 và MII dé tang cau tric đối xứng của OTA Trong quá trình mô phỏng thì hệ số khuyếch

đại được đặt ở 72dB, và tần số (f,) sẽ cố định ở 25MH¿ Đồng điện toàn phần đầu ra

đo được là 150A Kích cỡ của các transitor được liệt kê ở bảng 4.2

Độ dài tối thiểu của transitor được chọn là 1.8 tín để hạn chế sự sai lệch giữa các thành phần (chiều dài tối thiểu cho phép là 1.2 ưa) Đối với OTA tụ điện tải tốt nhất là

lpF

4.2 Thiết kế phần điều khiển

4.2.1 Bộ giải mã địa chỉ của phần tử

Áp dụng biểu thức Boolean với: § = địa chỉ hàng x dia chỉ cột Chân đầu ra sẽ

được chọn nếu § ở mức cao khi mà cả địa chỉ hàng và địa chỉ cột đều ở mức cao Thiết

kế chỉ tiết được trình bày ở hình 4.9 Cả hai tín hiệu S và Š cần phải cho qua các chuyển mạch analog, cổng truyền thêm vào để giảm sự thăng giáng tín hiệu

26

VSS

4.8 So dé mach chi tiét OTA

*

Hình 4.9 Sơ đồ logic(a), sơ đồ mạch (b) của bộ giải mã địa chỉ phần tử

Ngưỡng công suất của bộ chuyển đổi dòng-thế

Đối với mạch số khi mà hệ ở trạng thái không hoạt động thì dòng của nó sẽ bằng 0,

sự (iêu hao nguồn khi đó là do bộ OTA (iêu tốn trong việc chuyển đổi dòng-thế Như

vậy sự thay đổi điện áp đầu ra của bộ OTA sẽ làm giảm giá trị điện ấp ngưỡng của các

khoá transitor Kích cỡ của chuyển mạch phải đủ lớn để để tải dòng toàn phần di qua

OTA Một cách giải quyết tốt nhất là khoá nhánh bias ctia OTA Gate cla transitor M25 trong mach OTA (chân Strong hình 4.8) sẽ được nối với chân S (từ giải mã địa

chỉ buồng) Bất kỳ khi nào phần tử được chọn, đường gate của transitor M25 sẽ có điện

áp -2,5V, khi đó sẽ làm mở đường bias và dòng điện chạy qua nó sẽ thiết lập cho các nhánh khác của TA Nếu không được cho phép, điện áp đặt vào chân gate của M25 sẽ là +2,5V Khi đó sẽ đóng M25 không cho dòng điện chạy qua đường bías và tất cả các đường khác của OTA Kết quả chạy mô phỏng cho thấy rằng dòng điện toàn phần chạy

qua OTA khi nó ở ngưỡng công suất Í „„ = 0.ÏHA trong khi đó nếu hoạt động ở trạng thái bình thường thì Ï „ = 150A

4.2.2 Thiết kế các khoá analog

Sơ đồ chỉ tiết của mỗi phần tử được thiết kế như hình 4.10 Mạch nay cũng giống như mạch ở hình 4.8 ngoại trừ chân gate của transgHor M25 không phải nối với nguồn

mà là nối với đường S.

Hình 4.10 Sơ đồ chỉ tiết của một phần tử sensor

Khoá SW6 dùng để nhóm các đầu ra tử bộ chuyển đổi dòng-thế vào đường ra

Trong trường hợp phần tử không được chọn, chân S sẽ ở mức thấp va:

e Nếu ECE ở thấp (sẽ cho phép đo trong mode A), SW4 và SW5 sẽ mở để nối chân điện cực(WE) xuống đất

e Néu ECE ở mức cao(cho phép mode có clock bên ngoài - mode B) điện cực bị cắt khỏi đất Khi đó nếu SW3 được đóng thì nó sẽ được nối với đầu vào của bộ chuyển đổi dòng-thế do đó điện áp đặt vào sẽ nối với điện cực (WE)

4.2.3 Bộ phat xung Clock

Trong quá trình thiết kế chíp sơ đồ mạch dựa trên cơ sở mạch chốt SR đơn giản sẽ được dùng lam clock, hinh 4.11

Clock

LP" pe LM

4.2.4 Các bộ giải mã địa chỉ hàng và giải mã địa chỉ cột

Sẽ có 4 bộ giải mã 16 dùng để giải mã hàng và mã cột được thiết kế trên cơ sở các cổng AND 4 đầu vào Giải mã địa chỉ cột sẽ có l6 cổng AND 4 đầu vào trong khi đó giải mã địa chỉ hàng gồm 10 cổng AND 4 đầu vào Hình 4.12a là sơ đồ logic của bộ giải mã cột và hình 4.12b là mạch của cổng AND 4 đầu vào

Các bộ đệm dia chi của bộ giải mã địa chỉ hàng và địa chỉ cột được thiết kế bằng

cách sử dụng cổng truyền Ð có điều khiển cho phép chốt bằng chau Preset vio aim

giống như một phần tử nhớ (hình 4.13) Để đảm bảo chốt Iốt thì độ rộng xung cho phép đọc được đặt là 20 nsec (lớn hơn rất nhiều so với khoảng thời gian trễ của mạch)

de ok Xung doc dia chi

Hình 4.13 Sơ đồ khối của trigger D với chân vào preset

4.2.6 Mạch Clock hệ thống

Từ xung đồng bộ đầu vào (CIk) với chu kỳ là Tạ bộ phát xung Clock hệ thống phải đưa ra các các tín hiệu sau:

» Xung đọc địa chỉ

T-Flip Flop n » Rreset Clk

am ién Ey Xung định thời

Hình 4.14 Sơ đồ khối và tín hiệu đầu ra của bộ phát xung đồng hồ

e Xung đọc địa chỉ tại thời điểm bất đầu mỗi chu kỳ đo để đọc địa chỉ phần tử

mới (độ rộng xung là 20 nsee)

® Xung Reset cũng dược phát ra vào thời điểm bát đầu mỗi chu kỳ đo dùng dể

phóng tụ, thời gian phóng tụ là T.„ = 0,5Tecg,

32