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 : info@grahailmu.co.id Wibowo, Eri Prasetyo, Dr., S.Si., MMSi.; Heruseto, Brahmantyo, Dr., S.Kom., MMSi.; Afandi, Hamzah, Dr., ST., MT.; Irianto, Antonius, S.ST., MT. 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 P 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 mengambil materi dari buku-buku karya penulis terkenal di bidang desain CMOS dan juga digabungkan pengalaman penulis dalam menyelesaiakn riset yang terkaiat dengan bidang desain CMOS. Buku ini disusun dalam 6 bab, yang mencakup: Pemodelan data konverter, SNR data konverter, Bentuk-bentuk Noise di data konverter, desain sirkuit sub-mikron CMOS, Implementasi konversi data dan integrator filter CMOS. Misi dari penerbitan buku ini adalah untuk digunakan mahasiswa, dosen dan pembaca yang tertarik pada peminatan elektronika devais dan desain elektronika. Mengingat saat ini buku jenis ini sangat jarang ditulis oleh penulis dari Indonesia dan keprihatinan penulis atas ketertinggalan indonesia dalam dunia desain elektronika modern. Akhirnya sekali lagi kami mengucapkan terima kasih kepada DP2M DIKTI yang memberi 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 sempurna, saran dan kritik yang sangat membangun sangat kami harapkan. Depok, Desember 2012 Penulis
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL v vii xiii xxix 1 Pemodelan Konverter Data 1 1.1 Sampling dan Aliasing: Pendekatan Pemodelan................. 2 1.1.1 Impulse Sampling.............................. 2 1.1.1.1 Menampilkan Output Sampler Impulse di z-domain...... 17 1.1.2 Sample and Hold.............................. 22 1.2 SPICE Model untuk DAC dan ADC....................... 30 1.2.1 DAC Ideal.................................. 31 1.2.2 ADC Ideal.................................. 37 1.3 Kuantisasi Noise.................................. 41 1.3.1 Melihat Spektrum Kuantisasi Noise Menggunakan Simulasi....... 43 1.3.2 Kepadatan Spektral Tegangan Kuantisasi Noise............. 60 2 Konverter Data SNR 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
viii KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS 2.2 Meningkatkan SNR menggunakan Averaging................... 95 2.2.1 Menggunakan Averaging untuk Improve SNR.............. 96 2.2.2 Pengurangan Filter ADC......................... 118 2.2.3 Interpolasi Filter untuk DAC....................... 142 2.2.4 Filter Sinc Bandpass dan Highpass.................... 150 2.3 Menggunakan Feedback untuk Memperbaiki SNR................ 154 2.3.1 Diskrit Analog Integrator......................... 156 2.3.2 Modulator.................................. 160 3 DATA KONVERTER NOISE-SHAPING 163 3.1 Prinsip Noise-Shaping............................... 163 3.1.1 Model SPICE................................ 164 3.1.2 Noise-Shaping Orde Pertama....................... 167 3.1.3 Noise-Shaping Orde-Kedua......................... 217 3.1.4 Topologi Noise-Shaping........................... 237 3.1.4.1 Modulator Orde-Tinggi..................... 237 3.1.4.2 Modulator Multi-Bit....................... 244 3.1.4.3 Kaskade Modulator........................ 251 3.1.4.4 Modulator Bandpass....................... 259 4 DISAIN SIRKUIT SUBMIKRON CMOS 263 4.1 Gambaran dan Model................................ 264 4.1.1 Alur Proses CMOS............................. 264 4.1.2 Kapasitor dan Resistor........................... 266 4.1.2.1 Menggunakan MOSFET sebagai Kapasitor........... 266 4.1.2.2 Menggunakan MOSFET Kapasitor Asli/Natural........ 268 4.1.2.3 Floating MOS Kapasitor..................... 268 4.1.2.4 Kapasitor Metal......................... 270 4.1.2.5 Resistor.............................. 274 4.1.3 Pemodelan MOSFET dengan SPICE................... 278 4.1.3.1 Pemilihan Model......................... 279 4.1.3.2 Parameter Model......................... 281
DAFTAR ISI ix 4.1.3.3 Sebuah Catatan Mengenai MOSFET L = Panjang..... 284 4.2 Perancangan Rangkaian Digital.......................... 284 4.2.1 Switch MOSFET.............................. 285 4.2.1.1 Switch Bi-directional....................... 288 4.2.1.2 Clock Comparator........................ 291 4.2.1.3 Common Mode Noise Elimination................ 294 4.2.2 Elemen Delay................................ 301 4.2.3 Penjumlah (Adder)............................. 306 4.3 Perancangan Rangkaian Analog.......................... 306 4.3.1 Pembiasan.................................. 306 4.3.1.1 Memilih Selisih Tegangan Gate................. 308 4.3.1.2 Pemilihan Panjang Channel................... 309 4.3.1.3 Transkonduktansi Sinyal Kecil, g m............... 310 4.3.1.4 Frekwensi Transisi MOSFET, f T................ 312 4.3.1.5 Beta Multiplier Dengan Referensi Self-Bias........... 312 4.3.2 Perancangan Op-Amp........................... 317 4.3.2.1 Output Swing........................... 317 4.3.2.2 Slew Rate............................. 321 4.3.2.3 Differential Output dari Op-amp................ 329 4.3.3 Rangkaian Noise.............................. 332 4.3.3.1 Thermal Noise.......................... 332 4.3.3.2 Karakteristik Spektral dari Noise Termal............ 334 4.3.3.3 Noise Equivalent Bandwidth (NEB).............. 335 4.3.3.4 Noise MOSFET.......................... 340 4.3.3.5 Performa Noise dari Source Follower.............. 340 4.3.3.6 Kinerja Noise dari Penguat Kaskade.............. 342 4.3.3.7 Kinerja noise DAI........................ 343 5 Implemetasi Konversi Data 345 5.1 Topologi R-2R untuk DACs............................ 346 5.1.1 Mode Arus DAC R-2R........................... 346 5.1.2 Mode tegangan DAC R-2R......................... 348
x KONSEP DAN DESAIN ADC BERBASIS CMOS 5.1.3 Lebar Swing Mode Arus DAC R-2R.................... 350 5.1.3.1 Analisis DNL........................... 352 5.1.3.2 Analisis INL........................... 352 5.1.3.3 Saklar............................... 353 5.1.3.4 Pengembangan DNL....................... 353 5.1.3.5 Offset Trimming DAC...................... 355 5.1.3.6 Trimming Gain DAC....................... 357 5.1.3.7 Meningkatkan INL dengan kalibrasi............... 358 5.1.4 Topologi tanpa sebuah Op-Amp...................... 359 5.1.4.1 Mode Tegangan DAC...................... 360 5.1.4.2 Dua Catatan Penting Mengenai Glitches............ 363 5.1.4.3 Mode Arus (Current Steering) DAC.............. 364 5.2 Op-Amp Dalam Data Konverter.......................... 366 5.2.1 Gain Bandwidth Product dari Topology Non-inverting Op-Amp.... 367 5.2.2 Gain Bandwidth Product dari Topology Inverting Op-Amp...... 368 5.2.3 Gain Op-Amp................................ 369 5.2.4 Unit gain frekuensi Op-Amp........................ 370 5.2.5 Offset Op-Amp............................... 371 5.2.5.1 Penambahan Sebuah Auxiliary Input Port........... 371 5.3 Implementasi ADC................................. 375 5.3.1 Implementasi S/H.............................. 375 5.3.1.1 A Single-Ended to Differential Output S/H.......... 377 5.3.2 Cyclic ADC................................. 379 5.3.2.1 Peletakan Komparator...................... 381 5.3.2.2 Implementasi Pengurangan didalam S/H............ 382 6 INTEGRATOR BERBASIS FILTER CMOS 385 6.1 Pembentuk Blok Integrator............................ 386 6.1.1 Filter lowpass................................ 386 6.1.2 Aktif RC Integrator............................. 387 6.1.3 Integrator MOSFET-C........................... 399 6.1.4 Integrator Gm-c (Transconductor-C)................... 402