KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS Penulis : Dr. Eri Prasetyo Wibowo, S.Si., MMSi. Dr. Brahmantyo Heruseto, S.Kom., MMSi. Dr. Hamzah Afandi, ST., MT. Antonius Irianto, S.ST., MT. Edisi Pertama Cetakan Pertama, 2013 Hak Cipta 2013 pada penulis, Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit.
Ruko Jambusari No. 7A Yogyakarta 55283 Telp. : 0274-889836; 0274-889398 Fax. : 0274-889057 E-mail :
[email protected]
Wibowo , Eri Prasetyo, Dr., S.Si., MMSi.; Heruseto, Brahmantyo, Dr., Afandi, Hamzah, Dr., ST., MT.; Irianto , Antonius, S.ST., MT.
S.Kom., MMSi.;
KONSEP DAN DESAIN ADC BERASIS CMOS/Dr. Eri Prasetyo Wibowo, S.Si., MMSi.; Dr. Brahmantyo Heruseto, S.Kom., MMSi.; Dr. Hamzah Afandi, ST., MT.; Antonius Irianto, S.ST., MT. - Edisi Pertama – Yogyakarta; Graha Ilmu, 2013 xxx + 464 hlm, 1 Jil.: 26 cm. ISBN: 978-602-262-112-6
1. Komputer
I. Judul
KATA PENGANTAR uji syukur kami panjatkan kepada Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan kemudahan sehingga bisa menyelesaikan Buku yang berjudul Konsep dan Desain ADC berbasis CMOS. Buku ini disusun sebagai buku ajar untuk matakuliah Elektronika Desain dan merupakan buku seri CMOS kelanjutan dari buku sebelumnya yang sudah ditulis oleh penulis. Buku ini disusun dengan buku-buku karya terkenal di bidang uji syukur kamimengambil panjatkan materi kepadadari Allah SWT, yang telahpenulis memberikan rahmat dan desain kemuCMOS dan sehingga juga digabungkan pengalaman dalam menyelesaiakn riset yang dahan bisa menyelesaikan Bukupenulis yang berjudul Konsep dan Desain ADC terkaiat berbasis dengan bidang desain CMOS. Buku ini disusun dalam 6 bab, yang mencakup: CMOS. Pemodelan konverter, Bentuk-bentuk NoiseDesain di datadan konverter, deBuku inidata disusun sebagaiSNR bukudata ajarkonverter, untuk matakuliah Elektronika merupakan sain sirkuit sub-mikron CMOS, konversi data danditulis integrator CMOS.Buku buku seri CMOS kelanjutan dariImplementasi buku sebelumnya yang sudah oleh filter penulis. ini disusun mengambil dari untuk buku-buku karya penulis terkenal di bidang desain Misi daridengan penerbitan buku materi ini adalah digunakan mahasiswa, dosen dan pembaca CMOS dan juga digabungkan pengalaman penulis dalam menyelesaiakn riset yang terkaiat yang tertarik pada peminatan elektronika devais dan desain elektronika. Mengingat saat ini dengan bidang desain jarang CMOS.ditulis Bukuoleh ini disusun 6 bab, yang buku jenis ini sangat penulis dalam dari Indonesia dan mencakup: keprihatinan penulis atas Pemodelan data konverter, SNRdunia data desain konverter, Bentuk-bentuk ketertinggalan indonesia dalam elektronika modern.Noise di data konverter, desainAkhirnya sirkuit sub-mikron CMOS, Implementasi konversi dan DP2M integrator filteryang CMOS. sekali lagi kami mengucapkan terima kasihdata kepada DIKTI memberi Misi dari penerbitan buku ini adalah untuk digunakan mahasiswa, dan pembaca dukungan dalam Hibah Kompetensi, PUREK II Universitas Gunadarma,dosen mahasiswa Sarmag yang tertarik pada peminatan elektronika devais dan desain elektronika. Mengingat saatDeini Vero dan Shinta yang banyak membantu sehingga bisa diterbitkannya buku Konsep dan buku jenis berbasis ini sangat jarang sain ADC CMOS . ditulis oleh penulis dari Indonesia dan keprihatinan penulis atas ketertinggalan indonesia dalam dunia desain elektronika modern. Tiada gading yang tak retak, kami masih menyadari bahwa buku ini masih jauh dari Akhirnya sekali lagi kamiyang mengucapkan terima kasih kepada DP2M DIKTI yang memberi sempurna, saran dan kritik sangat membangun sangat kami harapkan. dukungan dalam Hibah Kompetensi, PUREK II Universitas Gunadarma, mahasiswa Sarmag Vero dan Shinta yang banyak membantu sehingga bisa diterbitkannya buku Konsep dan Desain ADC berbasis CMOS . Tiada gading yang tak retak, kami masih menyadari bahwa buku ini masih jauh dari Desember 2012 sempurna, saran dan kritik yang sangat membangun sangat kami Depok, harapkan.
P
KATA PENGANTAR
P
Penulis Depok, Desember 2012 Penulis
DAFTAR ISI DAFTAR ISIKATA PENGANTAR DAFTAR ISI
KATA KATAPENGANTAR PENGANTAR
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR ISI ISI DAFTAR
DAFTAR TABEL
vi vii iii
1 Pemodelan Konverter Data xiii ix 1.1 Sampling dan Aliasing: Pendekatan Pemodelan . . . . . . . . . 1.1.1 Impulse Sampling . . . . . . . . . . . . . xxix . . . . . . . . . DAFTAR TABEL DAFTAR TABEL xxv 1.1.1.1 Menampilkan Output Sampler Impulse di z-Dom 1 Pemodelan Konverter Data 1.1.2 Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . . 1. . . . . . . 1.1 Sampling dan Aliasing: Pendekatan . .DAC . . . dan . . ADC . . . . .. .. .. .. .. .. . . 2. . . . . . . 1.2 SPICEPemodelan Model untuk 1.1.1 Impulse Sampling . . . 1.2.1 . . . . DAC . . . Ideal . . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 2. . . . . . . 1.1.1.1 Menampilkan 1.2.2 OutputADC Sampler IdealImpulse . . . . di . .z-Domain . . . . . .. .. .. .. .. .. . .17. . . . . . . 1.1.2 Sample and Hold 1.3 . . . Kuantisasi . . . . . . Noise . . . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .22. . . . . . . 1.2 SPICE Model untuk DAC dan1.3.1 ADC Melihat . . . . .Spektrum . . . . . .Kuantisasi . . . . . .Noise . . . Menggunakan . . . 30 Simulas 1.2.1 DAC Ideal . . . . . . . 1.3.2 . . . . Kepadatan . . . . . . .Spektral . . . . .Tegangan . . . . . Kuantisasi . . . . . . Noise 31 . . . . . 1.2.2 ADC Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3 Kuantisasi Noise . . 2. . Konverter . . . . . . . Data . . . .SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Konverter data SNR : Tinjauan . . . . . . . . . . .43. . . . . . . 1.3.1 Melihat Spektrum2.1 Kuantisasi Noise Menggunakan Simulasi 2.1.1 Efektif Jumlah Bit . . . . . . . . . . . . . . .60. . . . . . . 1.3.2 Kepadatan Spektral Tegangan Kuantisasi Noise 2.1.2 Clock Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Konverter Data SNR 2.1.3 TOOL : Kepadatan Spektral . . . . . . . . 67 . . . . . . . . 2.1 Konverter data SNR : Tinjauan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.1.1 Efektif Jumlah Bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.1.2 Clock Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.1.3 TOOL : Kepadatan Spektral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
DAFTAR GAMBAR DAFTAR GAMBAR
viii iv
KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS
KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS
2.2
2.3
Meningkatkan SNR menggunakan Averaging . . . . . 2.2.1 Menggunakan Averaging untuk Improve SNR 2.2.2 Pengurangan Filter ADC . . . . . . . . . . . 2.2.3 Interpolasi Filter untuk DAC . . . . . . . . . 2.2.4 Filter Sinc Bandpass dan Highpass . . . . . . Menggunakan Feedback untuk Memperbaiki SNR . . 2.3.1 Diskrit Analog Integrator . . . . . . . . . . . 2.3.2 Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 DATA KONVERTER NOISE-SHAPING 3.1 Prinsip Noise-Shaping . . . . . . . . . . . 3.1.1 Model SPICE . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Noise-Shaping Orde Pertama . . . 3.1.3 Noise-Shaping Orde-Kedua . . . . . 3.1.4 Topologi Noise-Shaping . . . . . . . 3.1.4.1 Modulator Orde-Tinggi . 3.1.4.2 Modulator Multi-Bit . . . 3.1.4.3 Kaskade Modulator . . . . 3.1.4.4 Modulator Bandpass . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
4 DISAIN SIRKUIT SUBMIKRON CMOS 4.1 Gambaran dan Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Alur Proses CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Kapasitor dan Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1 Menggunakan MOSFET sebagai Kapasitor . . . . 4.1.2.2 Menggunakan MOSFET Kapasitor Asli/Natural . 4.1.2.3 Floating MOS Kapasitor . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.4 Kapasitor Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.5 Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Pemodelan MOSFET dengan SPICE . . . . . . . . . . . . 4.1.3.1 Pemilihan Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3.2 Parameter Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
95 96 118 142 150 154 156 160
. . . . . . . . .
163 163 164 167 217 237 237 244 251 259
. . . . . . . . . . .
263 264 264 266 266 268 268 270 274 278 279 281
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
284 284 285 288 291 294 301 306 306 306 308 309 310 312 312 317 317 321 329 332 332 334 335 340 340 342 343
5 Implemetasi Konversi Data 5.1 Topologi R-2R untuk DACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Mode Arus DAC R-2R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Mode tegangan DAC R-2R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
345 346 346 348
4.2
4.3
4.1.3.3 Sebuah Catatan Mengenai ”MOSFET L = Panjang” Perancangan Rangkaian Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Switch MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1 Switch Bi-directional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2 Clock Comparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.3 Common Mode Noise Elimination . . . . . . . . . . . 4.2.2 Elemen Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Penjumlah (Adder) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perancangan Rangkaian Analog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Pembiasan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.1 Memilih Selisih Tegangan Gate . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2 Pemilihan Panjang Channel . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.3 Transkonduktansi Sinyal Kecil, gm . . . . . . . . . . 4.3.1.4 Frekwensi Transisi MOSFET, fT . . . . . . . . . . . 4.3.1.5 Beta Multiplier Dengan Referensi Self-Bias . . . . . . 4.3.2 Perancangan Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.1 Output Swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.2 Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.3 Differential Output dari Op-amp . . . . . . . . . . . 4.3.3 Rangkaian Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.1 Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.2 Karakteristik Spektral dari Noise Termal . . . . . . . 4.3.3.3 Noise Equivalent Bandwidth (NEB) . . . . . . . . . 4.3.3.4 Noise MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.5 Performa Noise dari Source Follower . . . . . . . . . 4.3.3.6 Kinerja Noise dari Penguat Kaskade . . . . . . . . . 4.3.3.7 Kinerja noise DAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ix v
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x vi
KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS
KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS
5.1.3
5.2
5.3
Lebar Swing Mode Arus DAC R-2R . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.1 Analisis DNL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.2 Analisis INL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.3 Saklar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.4 Pengembangan DNL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.5 Offset Trimming DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.6 Trimming Gain DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.7 Meningkatkan INL dengan kalibrasi . . . . . . . . . . . 5.1.4 Topologi tanpa sebuah Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.1 Mode Tegangan DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.2 Dua Catatan Penting Mengenai Glitches . . . . . . . . 5.1.4.3 Mode Arus (Current Steering) DAC . . . . . . . . . . Op-Amp Dalam Data Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Gain Bandwidth Product dari Topology Non-inverting Op-Amp 5.2.2 Gain Bandwidth Product dari Topology Inverting Op-Amp . . 5.2.3 Gain Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Unit gain frekuensi Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Offset Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5.1 Penambahan Sebuah Auxiliary Input Port . . . . . . . Implementasi ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Implementasi S/H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1.1 A Single-Ended to Differential Output S/H . . . . . . 5.3.2 Cyclic ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.1 Peletakan Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.2 Implementasi Pengurangan didalam S/H . . . . . . . .
6 INTEGRATOR BERBASIS FILTER CMOS 6.1 Pembentuk Blok Integrator . . . . . . . . . . 6.1.1 Filter lowpass . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Aktif RC Integrator . . . . . . . . . . . 6.1.3 Integrator MOSFET-C . . . . . . . . . 6.1.4 Integrator Gm-c (Transconductor-C) .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
350 352 352 353 353 355 357 358 359 360 363 364 366 367 368 369 370 371 371 375 375 377 379 381 382
. . . . .
385 386 386 387 399 402
