New opportunities in MOS-only filter design
Salt MOSFET süzgeç tasarımında yeni olanaklar
- Tez No: 504530
- Danışmanlar: PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 152
Özet
Analog tasarım otomasyonu üzerindeki araştırmalar, devre tasarımındaki el hesaplarının zorluğundan ortaya çıkmıştır. El hesabına dayalı devre boyutlandırması, devredeki idealsizliklere dayalı teorik sonuçlardan sapmalar sebebiyle oldukça zaman alıcı bir işlemdir. Bununla birlikte, farklı performans parametreleri arasında optimal çözümün seçilmesi, özellikle devrelerin karmaşıklaştığı durumlarda, çok kritik ve zorlu bir süreç haline gelir. Bu bağlamda, klasik denklemlerin yeniden formüle edilmesi ve tasarımcının bilgisi entegrasyonu ile benzetime dayalı verilerle elde edilen deneyim, yeni bilgisayar destekli otomasyon algoritmalarının çıkmasına sebebiyet vermektedir. Bununla beraber, MOS-Only devre tasarımı, büyük çip alanını gerektirmediği için büyük önem kazanmaktadır. MOS-Only tasarımının en önemli şartı, elektronik devrelerdeki temel bileşenlerin fiziksel özelliklerini ve çalışma mekanizmalarını anlamaktır. Dahası, çok büyük ölçekli entegre (VLSI) tasarımında, devrelerin çoğu elle hesaplamalarla ve tekrarlanan hesaplama zincirleri ile boyutlandırılmıştır. Bu açıdan, tasarımcının bilgi ve tecrübesini ve geleneksel denklemlerin yeniden formülasyonunu içeren tasarım otomasyon önerilerine bu alanda büyük bir ihtiyaç vardır. Sonuç olarak, bu acil talep ve hızla büyüyen VLSI teknolojisinden farklı algoritmalar veya yöntemler ortaya çıkmaktadır. Günümüzde analog süzgeçleri tasarlamak için en popüler yollardan biri, MOSFET'in iç parametrelerinden geçit-kaynak kapasitesi ( ) ve geçiş iletkenliğini ( ) kullanmaktır. Bu türden devreler herhangi bir harici pasif eleman barındırmayarak az kırmık alanı kaplarlar. Ayrıca, harici aktif devre elemanlarından herhangi birini ya da temel analog bloklarını da içermezler. Diğer çalışmalarla kıyaslanırsa, tam farksal akım taşıyıcı (FDCCII), akım kontrollü akım taşıyıcıları (CCCII), akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (CDTA), çok çıkışlı ikinci nesil akım taşıyıcı (MO-CCII), çift çıkışlı ikinci nesil akım taşıyıcı (DO-CCII), gerilim farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (VDTA), değiştirilmiş akım izleyici geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (MCFTA), işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), çift çıkışlı akım kontrollü akım farkı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (DO-CCCDTA), farksal gerilim akım taşıyıcı (DVCC) vb gibi aktif elemanları kullanan literatürde pekçok akım modlu süzgeç bulunmaktadır. Fakat, bu devreler, büyük serim alanı ve düşük çalışma frekansı yüzünden dezavantajlıdırlar; çünkü çok sayıda transistör ve pasif devre elemanı içerirler. Bu tezde, MOS-Only süzgeçlerinin ve MOS-C yapılarının tasarımını otomatikleştirmek için iki yeni farklı yöntem sunulmuştur. Önerilen yöntemler farklı teknolojiler için kolayca uygulanabilir. Ayrıca, bu yöntemler kullanılarak önerilen yeni yapılar farklı uygulama alanlarında kolaylıkla çalıştırılarbilirler. Burası dikkate alınmalıdır ki; sunulan MOS-Only yapılarının tasarım döngüsünü otomatikleştirmek için temel küçük işaret parametrelerinin yüzey uydurma ve gelişmiş polinom regresyon yöntemleri kullanılarak modellenmesi gereklidir. Bununla birlikte, daha iyi modelleme doğruluğunun tasarım karmaşıklığı ile ortaya çıkması kaçınılmazdır. Tasarım karmaşıklığını önlemek için, ön tasarım kısıtları dikkate alınarak önerilen devreler için uygun yöntemi seçmek önemlidir. MOS-Only yapıların tasarım otomasyonu için genel bir çözüm üretmek adına bu çalışmada iki farklı yöntem sunulmuştur. İlk yöntem, polinom regresyonuna dayanan Salt MOSFET devre tasarım otomasyonudur. Bu yöntemde, bazı yüksek dereceli polinom işlevleri transistörlerin küçük işaret parametrelerine uydurulmaktadır. Bu işlevler, önceden tanımlanmış tasarım kısıtlamalarını, boyutlar, öngerilim voltajları / akımları gibi tasarım değişkenleriyle ilişkilendirir. Farklı benzetim programlarının verilerine dayanan çıkarılmış formülasyonlar, bilgisayar destekli yöntemlerle yüzeye uydurmanın sonucudur ve farklı teknolojiler için kolaylıkla düzenlenebilir. Birinci yönteme dayanan otomasyon döngüsünün sonunda, ele alınan MOS-Only devresindeki tüm transistor boyutları, kutuplama akımları ve gerilimlerinin elde edilmesi amaçlanır. Ayrıca bu yöntem, tasarım sonrası spesifikasyonların hesaplanması için yüksek hesaplama doğruluğu getirir. İkinci yöntem konveks yaklaşım olarak tanımlanır. Konveks programlama, matematikten derin mühendislik problemlerine kadar çok çeşitli uygulamalar için kullanılır. Bu teknik, elektronik alanında tasarımcıları hesaplama hızı ve genel açıdan en iyi çözümü bulma adına cezbetmektedir. Birinci yönteme kıyasla, tüm tasarım parametrelerinin posinom ve monomiyal formülasyonlar kullanılarak elde edilmesi amaçlanmıştır. Öte yandan, tasarım parametrelerinin modellenmesi, yüzey uydurma fonksiyonlarının spesifik setleri olan tek terimliler ya da pozitif katsayılı çok terimliler kullanılarak her teknolojide yüksek doğrulukta mümkün olmayabilir. Bu çerçevede bu çalışmada, tasarım parametreleri TSMC CMOS 0.18μm süreci ile modellenmiş ve sonuçlar yukarıda belirtilen ilk yöntemle kapsamlı olarak karşılaştırılmıştır. Son olarak, MOS-Only ve MOS-C devreleri için eşik altı çalışması polinom regresyonu kullanılarak modellenmiştir. Bu bölgede, çok çeşitli düşük frekans uygulamaları için farklı devreler geliştirmek mümkündür. Tüm küçük işaret parametreleri, parçalı polinom regresyonu kullanılarak yüksek doğrulukla bu bölge için yeniden formüle edilmiştir. Burada, modellerdeki tüm katsayıların farklı teknolojiler için yeniden elde edilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir. Bunun yanında, tüm devre serimleri ve serim sonrası benzetimler, CADENCE ortamında TSMC CMOS 0.18μm teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, önerilen yöntemlerle tasarlanan devrelerin elektronik devre tasarımcılarına yeni olanaklar getirmesi amaçlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Research on analog design automation emerges on troublesome manual design cycles in analog circuit design. Manual circuit-sizing in analog design is a time consuming process since non-idealities in a practical circuit result in serious deviations from theoretical calculations. Moreover, selection of the optimal solution among different performance parameters becomes very critical and challenging process, especially when circuits become complex. In this regard, reformulation of conventional equations and integration of the designer's knowledge as well as experience with simulation-based data encourage novel computer-aided automation algorithms. Moreover, MOS-Only circuit design has been gaining big importance because it does not necessitate large chip area. The most important requirement of the MOS-Only design is to understand physical properties and operating mechanisms of the basic components in electronics. Furthermore, in Very Large Scale Integrated (VLSI) circuit design, large numbers of circuits have been sized by hand-calculations and iteratively chain of computations. In this respect, there is a wide gap for design automation proposals, which incorporate knowledge and experience of designer and re-formulation of the conventional equations in this area. As a result, different algorithms or methods are arisen from this urgent demand and rapid growing of VLSI technology. One of the most popular ways, to design an analog filter is to make use of the intrinsic parameters, gate-to-source capacitance ( ) and transconductance ( ), of a MOSFET. This kind of circuits has very small chip area without employing external passive elements. Also, these circuits make use of only MOS transistors without any external active elements or analog building blocks. In comparison of MOS-Only structures with the other topologies, there are several current mode filters in the literature that employ active circuits like Fully Differential Current Conveyor (FDCCII), Current-Controlled Current Conveyors (CCCII), Current Differencing Transconductance Amplifier (CDTA) , Multi Output Second Generation Current Conveyor (MO-CCII), Dual output CCII (DO-CCII), Voltage Differencing Transconductance Amplifier (VDTA), Modified Current Follower Transconductance Amplifier (MCFTA), Operational Transconductance Amplifier (OTA), Dual Output Current Controlled Current Differencing Transconductance Amplifier (DO-CCCDTA), Differential Voltage Current Conveyor (DVCC) etc. They suffer from high layout area and low operating frequency; because they include high numbers of transistors and passive circuit elements. In this thesis, two novel different methods are presented for the automation of design of MOS-Only filters and MOS-C structures. Proposed methods can be easily implemented for different technological processes. Furthermore, presented novel architectures by using these methods can be easily employed in different application areas. It should be noted that in order to automate the design cycle for the presented MOS-Only structures, it is essential to model fundamental small signal parameters by using surface fitting and advanced polynomial regressive methods. However, it is unavoidable that better modeling accuracy comes up with design complexity. To avoid design complexity, it is important to choose the proper method for the proposed circuits by taking into consideration pre-design specifications. First method is MOS-Only design automation based on polynomial regression. In this method, some high order polynomial functions are fitted to the small signal parameters of transistors. These functions connect the pre-defined design constraints to design variables such as dimensions, bias voltages/currents. Defined formulations based on different simulators' data are the result of surface fitting by using computer assisted methods and they can be easily arranged for different technologies. In the end of automation cycle based on the first method, all aspect ratios, bias currents and voltages are obtained in the MOS-Only circuit. Also, this method brings high computational accuracy for the calculation of post-design specifications. Second method is defined as convex approximation. Convex programming is used for a wide range of applications from mathematics up to deep engineering problems. For electronics, it attracts designers for the sake of computational speed and globally optimal solution. In comparison to the first method, it is aimed to obtain all design parameters by using posynomial and monomial formulations. On the other hand, small signal parameters' modeling may not be possible in every technology with the high accuracy using monomials or posynomials, which are specific sets of the fitting functions. In this work, design parameters are modeled with TSMC CMOS 0.18µm process and results are compared with the aforementioned method comprehensively. Finally, subthreshold operation is modeled using polynomial regression for MOS-Only and MOS-C circuits. In this region, it is possible to develop different circuits for a wide range of low frequency applications. All dominant small signal parameters are reformulated for this region using piecewise polynomial regression with high accuracy. All proposed methods in this thesis are developed for TSMC CMOS 0.18µm process. It should be noted that all coefficients in the models should be reobtained for different technologies. Besides, all circuit schematic and post-layout simulations are realized in CADENCE environment by using TSMC CMOS 0.18µm technology. In conclusion, it is aimed that the designed circuits with proposed methods give new opportunities to the electronics engineers.
Benzer Tezler
- New possibilities in the design of CMOS frequency agile filters
Frekans atik süzgeçlerin tasarımında yeni olanaklar
ERSİN ALAYBEYOĞLU
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
- Doğal, tarihi kültürel açıdan turizm potansiyelini değerlendirme modeli: Ayvalık örneği
The tourism model for evaluation of natural, historical and cultural potential: A case of Ayvalık
İSMAİL HAKAN KOLCU
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. VEDİA DÖKMECİ
- Kentsel mekan karakterlerinin peyzaj mekan organizasyonu açısından değerlendirilmesi ve Sultanahmet meydanı örneği
Başlık çevirisi yok
AYTEN ASLANTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE ÇIRACI
- Düşük güçlü MOS tasarım yöntemlerinin incelenmesi ve bazı üniversal aktif elemanlara uygulanması
Investigation of low power MOS design methods and application to some universal active elements
PELİN DOĞAN SEKRETER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ALÇI
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLLA UYGUR
- Yarıiletken elemanların iki boyutlu simulasyonu
Başlık çevirisi yok
ASIM KEPKEP
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. DURAN LEBLEBİCİ