Bandgap reference and low dropout voltage regulator desıgn for capsule endoscopy system
Kapsül endoskopi sistemi için bant aralığı referans devresi ve düşük gerilim düşümlü devre tasarımı
- Tez No: 732357
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Geçtiğimiz son 40 yılda, biyomedikal sistemler sağlık endüstrisine yönelik ihtiyacın ve ilginin artmasıyla hızla gelişmiştir ve bu alanda birçok yenilik yapılmıştır. Bu yenilikler çok geniş ölçekli tümleştirme teknolojisinin(Very large scale integration) de ilerlemesiyle pekişmiştir. Biyomedikal alandaki gelişmeler sayesinde görüntüleme yapılarak hastanın kanser veya sağlıksız oluşumları önceden tespit edilebilebilmektedir ve bu sayede hayat kurtarıcı rol oynar. Bu cihazlardan bu çalışmada örnek olarak kullanılan kapsül endoskopi cihazı da önemli bir yere sahiptir. Kapsül endoskopi, sindirim sistemlerinde hasarlı dokuların tespitinde kullanılır. Endoskopi işlemi eğer yutaktan başlarsa ancak oniki parmak bağırsağına ulaşır, eğer ince bağırsak görüntülemesi yapılmak isteniyorsa anal görüntüleme yapılması gerekir. Bu yüzden, hastanın görüntülemesinin tek seferde yapılması mümkün değildir. Hastanın iki farklı operasyona girmesi ise hasta için fazlasıyla konforsuzdur. Bahsedilen operasyon tekrarını engellemek ve hastanın konforunu sağlamak adına kapsül endoskopi sistemi geliştirilmiştir. Kapsül endoskopi sistemi içinde birçok elektronik devre barındırmaktadır. Bu devreler, dokulardan gelen bilginin işlenmesi için lazer kaynak ve lazer kaynağı süren lazer sürücü devresi, lazerden elde edilen sinyalleri işleyebilmek adına yapılan verici devresinde yer alan transempedans kuvvetlendiricisi, analogtan dijitale çevirici, faz üretici devre, frekans karıştırıcı devresi ve güç kuvvetlendiricisi olarak özetlenebilir. Sistemde ise bütün bu devreleri besleyebilmek adına tek bir pil bulunmaktadır. Fakat bu pil zamanla hızla azalan bir davranışa sahiptir. Dokulardan alınan bilginin doğru işlenebilmesi için devreler sabit bir gerilime ihtiyaç duyar fakat bataryanın geriliminin zamanla azalan bir eğriye sahip olması bu durumu zorlaştırmaktadır. Bunun için sistemde bataryanın davranışını optimize eden bir yapıya büyük bir ihtiyaç ortaya çıkar. Kapsül endoskopinin batarya gerilimini optimize etmek ancak bir güç yönetimi(power management) sistemi ile sağlanabilir. Bu sistem sayesinde verici devresindeki bloklar daha düşük besleme gerilimi ve dolayısıyla daha düşük akım değerleriyle çalışabilir. Düşük akım çekilmesiyle bataryanın ömrü uzaması sağlanır ve sistemden alınan verim artar. Verici bloğuna gelen giriş sinyali oldukça zayıf bir sinyaldir ve bu sinyalin doğru işlenebilmesi için gürültü minimuma indirilmelidir. Gürültünün minimuma indirilmesi ancak akımın azaltılmasıyla sağlanır. Düşük besleme gerilimi kullanılmasıyla ise, devreler daha küçük boyutlarda istenilen performans parametrelerini yakalayabilir. Özellikle kapsül endoskopi alan konusunda oldukça limitlidir ve sistemin boyut açısından optimize edilmesi sistemin gerçeklenebilmesi adına kritiktir. Bu açıklanan özellikleri sağlamak adına güç yönetimi devrelerinde regülatörler yer almaktadır. Regülatörler çıkışta sabit gerilim elde edebilmek adına kullanılan devrelerdir. Regülatörlerin çıkışındaki gerilim değerleri giriş geriliminden daha yüksek veya daha düşük olabilir. Bu çalışmada gerilim düşüren regülatör devresi kullanılmıştır. Gerilim düşüren regülatöler, anahtarlamalı regülatörler ve lineer regülatörler olarak ikiye ayrılır. Anahtarlamalı regülatörler, diyot veya transistör veya enerji depolayan element olan indüktör ve kapasitörlerden oluşurlar. Çalışma prensipleri, indüktör üzerindeki akımın sürekli olarak anahtarlamayla değiştirilmesi ve bunun sonucunda kapasite üzerindeki gerilim değerinin anahtarlama frekansıyla hedeflenen gerilime ulaşması üzerinedir. Fakat elde edilen bu gerilim üzerinde, sürekli olarak kapasitenin dolup boşalması sonucunda, dalgalanma yer alır. Bu dalgalanma özellikle biyomedikal devrelerde tercih edilmez çünkü sistemde gürültüye sebep olur. Aynı zamanda, devredeki indüktör ve kapasitörler alanın artmasına sebep olur. Bunlardan kaçınabilmek adına lineer regülatörler tercih edilmiştir. Lineer regülatörler, referans gerilimi ile çıkışın gerilim bölücüden elde edilen sonucuyla karşılaştırılmasıyla elde edilmektedir. Çıkışta temiz ve sabit bir gerilim üretebilmek adına devrede referans ile gerilim bölücü arasında bir geri besleme dögüsü kurulmaktadır. Sistemde en yaygın olarak kullanılan lineer regülatöre örnek olarak düşük gerilim düşümlü regülatör devresi kullanılmıştır. Düşük gerilim düşümlü regülatörler, giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasındaki fark çok küçük olduğunda dahi çıkışta sabit bir gerilim vermeye devam eder. Bu yüzden batarya ile çalışan sistemlerde, giriş gerilimini zamanla azalmasına rağmen, çıkışta regülasyonuna devam edebilmektedir. Bu devrenin dizaynında göz önünde bulundurulması gereken birçok parametre vardır. Bu parametrelerden ilki devredeki giriş ve çıkış arasında yer alan geçiş transistörünün uygun olarak boyutlandırılmasıdır. Bu sayede devre istenilen gerilim düşüm geriliminde maksimum akımın akmasını sağlar. Devrenin hat ve yük regülasyon parametreleri farklı giriş gerilimi veya yük akım değerlerinde, çıkıştaki gerilimi ne kadar sabit tutabildiğinin ölçüsüdür. Aynı zamanda, verici sisteminde yer alan analogtan dijitale çevirici ve lazer sürücü devreleri belirli zaman periyotlarında daha fazla akıma ihtiyaç duyarlar, bu yüzden hat ve yük üzerinde geçici sinyal analizleri yapmak bu durumu analiz edebilmek adına önemlidir. Bahsedilen parametreler arasında bir takas (trade off) ilişkisi bulunmaktadır, bu yüzden en iyi performansı yakalayabilmek dizayn sürecini zorlaştırmaktadır. Açıklanan parametreler ve sistemin ihtiyaçları göz önünde bulundurularak, devrenin performans parametreleri tanımlanmıştır. Bu çalışma UMC 180nm teknolojisinde tasarlanmıştır. Genelde düşük gerilim düşümlü regülatörler, stabilize edebilmek için çıkışlarında büyük bir çip dışı (off-chip) kapasitöre ihtiyaç duyar ve bu kapasitör ve eşdeğer seri direnci (ESR) sağ yarım düzlemde sıfır getirir. Fakat, bu kadar büyük boyutta bir kapasitör çipte çok fazla alan kapladığı için özellikle kapsül endoskopide tercih edilmez. Tasarlanan devrede bu büyük kapasitör kaldırılmıştır ve bu devrenin kaldırılmasıyla oluşan geçici yük ve hat sinyallerinin kompanzasyonunu sağlamak adına dinamik bir besleme sistemi eklenmiştir. Sistemde, verici bloğunun ihtiyaç duyduğu maksimum akım değeri 80 mA olarak hesaplanmıştır. Bu akım değerini sağlayabilmesi ve gerilim düşümünü minimum 200 mV değerinde tutabilmek için 800 um genişlik, ve prosesin minimum olan kanal uzunluğu değeri olan 360 nm kullanılmıştır. Bu geçiş transistörü üzerinden akan akım değeri yüksek olduğu için prosesin elektromigrasyon (EM) kurallarına dikkat edilerek serimi tasarlanmıştır. Giriş geriliminin 3.3 V ve 2 V değerleri arasında devre çıkışta sabit gerilim sağlayabilmektedir. Devrede hat gerilimi ve yük akımı analizlerine bakıldığında çıkıştaki gerilim üzerindeki proses-gerilim-sıcaklık varyasyonu sonucu değişim yalnızca 6% olarak elde edilmiştir. Özellikle devre dizaynında çıkıştaki gerilim değişiminin oldukça az olmasına özen gösterilmiştir. Devredeki geçici sinyal analizi sonucunda elde edilen en yüksek değişim değeri ise 8 mV olarak bulunmuştur. Devre bütün proses-gerilim-sıcaklık varyasyonlarında stabildir ve faz marjı 50 dereceden fazladır. Devrenin yük kaldırıldığında toplam tükettiği akım 45 uA'dır. Verici sisteminde, analogtan dijitale çevirici, düşük gerilim düşümlü regülatör gibi devreler operasyonlarında aynı zamanda bir referans gerilim değerine ihtiyaç duyarlar. Bu referans değerinin proses-gerilim-sıcaklık varyasyonlarından etkilenmiyor olması önemlidir, gerilim değeri üzerinde bir hata oluştuğu takdirde devrenin güvenilirliği azalır ve çıkışta hatalı sonuçlar gözlenebilir. Bant aralığı referans devreleri, çıkışlarında sabit bir gerilim oluşturarak, birçok devrenin akım veya gerilim referansı olarak kullanılır. Bu devrelerin çalışma prensipleri, MOS ve bipolar transistörlerin, sıcaklık ile olan karakteristikleri üzerine kuruludur. Sıcaklıktan bağımsız bir gerilim elde etmek için sıcaklıkla doğru orantılı değişen ve ters orantılı değişen iki farklı akım transistorlerin I-V karakteristikleri kullanılarak elde edilir ve bu akım direnç üzerine düşürülür. Dizayn edilen bant aralığı referans devresinin proses-gerilim-sıcaklık varyasyonunun olabilecek en düşük seviyede olması hedeflenmiştir. Bunun için sistemde iki farklı bant aralığı referans devresine yer verilmiştir. Bunlardan birinde sıcaklıktan bağımsız davranışı elde edebilmek için MOS transistörler diğerinde ise bipolar transistörler kullanılmıştır. MOS transistörlerin kullanıldığı topolojide, sıcaklıktan bağımsızlık bipolardan daha iyiyken, eşik gerilimi proses varyasyonlarında fazlasıyla değişmektedir, aynı zamanda devre eşik-altı bölgede çalıştırıldığı için besleme geriliminin düşük değerlerinde de doğru sonuç verebilmektedir. Bipolar transistörler ise proses varyasyonlarında daha iyi performansa sahiptirler fakat üstünde baz-emetör gerilimi proses ile sınırlı olduğu için besleme gerilimi belirli bir voltajın altına düştüğünde kesime girebilirler. Her iki yapının da avantajlarını kullabilmek adına bir sistem kurulmuştur. Bu sistemde devre oda şartlarında ve 2.8 V üzerindeki gerilim değerlerinde bipolar transistörler ile opere ederken daha düşük gerilimlerde ve yüksek sıcaklıklarda MOS ile opere etmektedir. Bunun için bir karşılaştırıcı devresi tasarlanıp her iki karşılaştırma için kullanılmıştır. Sıcaklık ile karşılaştırabilmek adına ayrıca bir sıcaklıkla doğru orantılı değişen bir devre kurulup istenilen sıcaklıkta diğer yapıya geçmesi sağlanmıştır. Besleme gerilimini karşılaştırabilmek için ise bir direnç bölücüden geçirerek referans gerilimi ile karşılaştırarak elde edilmiştir. Devrenin az güç tüketmesi için bu yapılara anahtarlama yapılmıştır ve bu sayede kullanılmayan akım kolları kapatılmıştır. Bu devrenin doğru bir şekilde anahtarlanmasını sağlamak için bir sayısal devre bloğu da eklenmiştir. MOS transistörlerin kullanıldığı yapıda anlatıldığı üzere proses varyasyonları çıkış geriliminin değişimine yol açmaktadır. Bu değişimi azaltmak adına prosesin bulunduğu koşula göre direnç değerinin azaltılması veya artırılması sağlanmıştır. Bu sayede proses varyasyonu %15'ten %5'e düşürülmüştür. Elde edilen devre proses-gerilim-sıcaklık varyasyonlarında sadece %5 değişime sahiptir. Sıcaklık katsayısı ise 75C olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada kapsül endoskopinin güç yönetim sistemi üzerine bant aralığı referans devresi ve düşük gerilim düşümlü regülatör dizaynı sunulmuştur. Yapılan dizaynlarda özellikle proses-gerilim-sıcaklık varyasyonunu azaltmaya özen gösterilip çipte az alan kaplaması hedeflenmiştir. Sistemin serim planları tasarlanmış ve serim sonrası sonuçları çalışmada raporlanmıştır.
Özet (Çeviri)
For the last 40 years, there have been many advancements in biomedical systems as there is a huge demand for them. A capsule endoscopy device is one of the biomedical systems which is used for the imaging of the gastrointestinal system. Endoscopic procedures require two operations because when the procedure starts from the esophagus it can only reach until duodenum, however imaging of the small bowel can be only accessed from the anal cavity. This operation is highly uncomfortable for the patient since the diagnosis of the entire gastrointestinal system requires two endoscopic procedures. To make this operation more comfortable for the patient, capsule endoscopy is developed. The capsule endoscopy system includes a laser source and a laser driver to process the information coming from the source and a transmitter system to transmit the processed data. The transmitter involves an analog to digital converter, transimpedance amplifier, power amplifier, and a phase generator. A single battery is used to supply voltage for all of these mentioned circuits. The battery input voltage of the system decays with time and to increase the lifetime of the capsule it is essential to design a power management unit. This power management unit involves a regulator to create supply voltage for chip blocks and a reference generator to obtain process-voltage-temperature independent reference. For the regulator, a low dropout regulator is chosen as they do not have ripple at the output voltage as in switching regulators which makes them less noisy. Noise is an important parameter because the input signal is low and any input voltage may affect the operation of the circuits. Traditional LDOs require a large off-chip capacitor at the output to create a right half plane zero and stabilize the circuit. However, the capsule is strictly limited in the area hence a cap-less LDO is designed. To enhance the transient performance after removing the output capacitor, a dynamic bias circuitry is added to the design. Output voltage only changes 6 % with process-temperature-voltage corners. Load and line transient results show that even though the input voltage or output load changes with time, the circuit can still regulate the output voltage. To obtain reference voltages for the blocks, a bandgap reference voltage generator is designed. In this design, two different design structures are used to achieve temperature independence. Both MOS and bipolar transistors are employed for this purpose. Design with MOS transistors advantages from operating in the subthreshold region hence supporting lower supply voltages however it has a larger variation at the output due to threshold voltage change over corners. Bipolar transistors benefit from less PVT variation however their performance degrades with lower supply voltages and high temperatures. To use two different characteristics of both designs, a system that switches to better performing structure is built. A comparator is designed to detect temperature and supply voltage. In this system, reference with bipolar transistors operates when the input voltage is higher than 2.8 V and at lower temperatures, and reference with MOS transistors starts to work when the input voltage is lower than 2.8 V and at higher temperatures. To further reduce the variation of the design with MOS trimming structure is implemented to the output resistor and variation decreased from 15% to 5%. The temperature coefficient of the reference generator is calculated as 75C. A power management unit that involves a bandgap reference generator and a low dropout regulator is introduced and designed. Important performance parameters are extracted from the requirements of the capsule endoscopy transmitter. Hence, the layout area is designed to be small and output voltage variation is minimized over PVT corners. The layout of the system is designed and post-layout simulation results are reported in the study.
Benzer Tezler
- A cryogenic cmos low dropout regulator design for space applications
Uzay uygulamaları için kriyojenik cmos alçak gerilim düşümlü regülatör tasarımı
HALİL İBRAHİM KAYIHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BERKE YELTEN
- Design of mixed-mode building blocks for an electronic stethoscope IC
ELEKTRONİK STETESKOP İÇİN KARMA MODLU YAPI TAŞLARININ TASARIMI
ALAATTİN ALPER KÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP YASEMİN KAHYA
- GF 22nm FDSOI power management unit with integrated SRAM design
Entegre SRAM tasarımlı GF 22nm FDSOI güç yönetim birimi
MAHMUT ÇOBAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEKİN
- Çamaşır makinası uygulamasında gan yarı iletkenanahtarlar ile yüksek güç yoğunluklu ve verimlievirici tasarımı
Design of high efficiency and high power densityinverter using gan semiconductors for washing machine
TANER YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- A low power integrated temperature sensor with digital outputsfor on-chip temperature monitoring applications
Sıcaklık gözlemleme uygulamaları için düşük güç tüketimli sayısal çıkışlı tümleşik sıcaklık sensörü
ÖZGE TURAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. TAYFUN AKIN