Analysis and design of cryogenic bulk-driven analog integrated circuits
Kriyojenik gövdeden sürmeli analog tümdevrelerin analiz ve tasarımı
- Tez No: 737869
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN, PROF. DR. FIRAT KAÇAR
- 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: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Günümüzde üstel olarak artan kuantum elektroniği, asteroit ve gezegen gözlemleri ve hatta uzay madenciliği gibi çalışmalar uç koşullarda çalışmasını hataya yer vermeksizin sürdürecek elektronik devrelere olan ihtiyacı artırmıştır. Özellikle uzay koşullarında fazla güç harcamadan işlem yapabilen devreler, daha fazla veya kesintisiz gözlem ve ölçüm yapılabilmesine olanak vermektedir. Uzay ortamında çalışan devreler için çalışma koşuları ekstremdir. Hem yüksek radyasyon hem de çok soğuk koşullarda çalışması gereken bu devreler için yapılan tasarımların doğru sonuç üretmesi elzemdir, zira araştırma ve gözlem yapma maliyeti açısından uzay, hala çok maliyetli bir ortamdır. Bu durumda tasarımlardaki hataların henüz benzetim aşamasında düzeltilmesi ve daha sonra araştırma ortamına gönderilmesi çok önemlidir. Kriyojenik ortam kavramı tam olarak sınırları belli olmamakla birlikte 120 K (−153 ℃) ve altı (mutlak sıfır noktasına kadar) sıcaklık değerlerini tanımlar. Bunun nedeni bu sıcaklığın ana atmosfer gazlarının kaynama noktalarını içermesidir. Kriyojenik sıcaklıklarda tasarım, uzay araştırmaları ve kuantum bilgisayarlar için vazgeçilmezdir. Ancak uzay koşullarında yapılan araştırmalarda yıldızdan uzaklaşıldıkça sıcaklığın azaldığı ve açıya bağlı olarak değiştiği bilinmektedir. Bundan dolayı Jüpiter için 1-bar düzeyindeki yüzey sıcaklığı ortalama 163.15 K olurken Plüton için ortalama yüzey sıcaklığı 48.15 K düzeyindedir. Kriyojenik ortamların dünya yüzeyinde ve laboratuvarlarda modelini oluşturup, uzay koşullarında çalışan devreler üzerinde geliştirmeler yapmak için kullanılan en yaygın yöntem sıvılaştırılmış nitrojen ortamıdır (LNT). Yaklaşık 77 K sıcaklığında kaynama noktası olan nitrojen elektronik devrelerin uzay koşullarında karşılaşacağı çoğu kritik durumu içinde barındırmaktadır. Geleneksel olarak BSIM gibi yaygın tasarım modellemelerine dayanan tümleşik devreler için çalışma aralığı −55 ℃ ve +125 ℃ sıcaklıkları arasında yer alır. Ancak bu modellemeler ile yapılan tasarım sonuçları incelendiğinde oda sıcaklığından uzaklaşıldığında dahi hata oranının arttığı gözlemlenmektedir. Bu durum kriyojenik şartlar için yeni modellerin kullanılmasını kaçınılmaz kılar. Bu tezde kullanılan kriyojenik modelleme işlemi BSIM'de sıcaklığa duyarlı parametre ve alt parametrelerin yeni bir algoritma ile MATLAB ortamında tekrar hesaplanıp, yer değiştirmesi mantığına dayanır. Böylelikle yapılan deneysel ölçümlerde hata payı oldukça azaltılmış ve bu ortam bilgisayar destekli programlarda doğru bir biçimde simüle edilmiş olur. Kriyojenik ortamda birçok transistörle yapılan deneylerde eşik geriliminin yükseldiği, buna karşın taşıyıcıların hareket kabiliyeti yükseldiği için transistörlerin akım akıtma kapasitelerinin arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca yapılan teorik ve pratik incelemelerde transistörlerde gürültünün ana kaynağı olarak görülen termal gürültünün sıcaklıkla birlikte doğrusal olarak azalması bu sıcaklıklarda yapılacak tasarımlar için umut vadedici sonuçlar olarak görülmektedir. Gelişen elektronik teknolojisi ile taşınabilir cihazların ve biyomedikal sensörlerin kullanımını oldukça yaygın hale gelmiştir. Bu durum aynı oranda gelişim gösteremeyen bataryaların daha verimli kullanılması ihtiyacını beraberinde getirmektedir. Bu nedenle elektronik endüstrisi 1 V altı besleme kaynağı ile çalışan ve çok az güç tüketen cihazlara yönelmektedir. Çok düşük besleme kaynağı ile devre tasarım yöntemlerinden biri gövdeden sürmeli (bulk-driven, BD) yapılardır. Böylece transistörlerin kapı terminalleri, kaynak-savak arasında bir kanal oluşturacak, doğru bir gerilimle öngerilimlendiğinde kanaldan geçen akım gövdeden uygulanan giriş sinyali ile manipüle edilebilmektir. Bu durum devre tasarımları açısından çok önemli bir adım olup sinyal yolundan transistörlerin aşması gereken eşik gerilimini kaldırmak anlamına gelmektedir. Gövdeden sürülen transistörlerin kapıdan sürülen transistörlere göre en önemli avantajları çok daha lineer geçiş iletkenliğine sahip olması ve eşik gerilimi gibi önemli bir faktörün ortadan kalkmasıyla çok daha az güç tüketimi olarak gösterilebilir. Ayrıca devrede n-kanal ve p-kanal transistörleri beraber kullanılmadan, giriş ortak mod aralığı (ICMR) ve çıkış salınımı kaynaktan kaynağa (rail-to-rail) özellik gösterebilir. Ancak transistörün gövdeden sürülmesi bazı dezavantajları da beraberinde getirir. Bunlardan ön önemli olanı gövde geçiş iletkenliğinin kapı geçiş iletkenliğine göre oldukça düşük olmasıdır. Teorik olarak yükseltilebilmesi mümkün olsa da yapı içerisindeki parazitik Bipolar Bağlantı Transistörlerini (BJT) aktif edebilmekte ve yongaya zarar verebilmektedir. Ayrıca düşük geçiş iletkenliği, transistörlerin gürültü faktörlerini artırmaktadır. Bir diğer önemli dezavantaj gövdedeki yüksek kapasitif etkilerdir. Bu nedenle gövdeden sürülen transistörlerin geçiş frekansları oldukça düşüktür. Düşük güç tüketen devre tasarımı yöntemlerinden biri de devredeki transistörleri eşik-altı bölgede çalıştırmaktır. Isıl geriliminin 3 ila 4 katı arasında eşik-altı doyma bölgesine giren transistörler çok düşük besleme kaynaklarıyla çalışabilmektedir. Analog tasarımların vazgeçilmez yapı taşlarından biri olan işlemsel geçiş iletkenliği yükselticileri (OTA) sağladıkları yüksek düzeyli lineer geçiş iletkenliği sayesinde ve akım modunda çalışmasından dolayı getirdiği güvenilir yüksek frekans performansıyla analog sinyal işlemede sıkça kullanılır. Bu çalışmada tüm transistörlerinin eşik-altı doyma bölgesinde çalıştığı; gövdeden sürülen kuyruksuz diferansiyel kuvvetlendiricilere dayanan giriş aşaması, ortak kaynaklı kuvvetlendirici (sınıf A) yapılı ikinci aşaması ve sınıf AB çıkış aşamasından oluşan üç kademeli bir OTA tasarlanmıştır. Girişte yer alan gövdeden sürmeli transistörler devreye yüksek ICMR sağladığı gibi DC durumda 36 dB kazanç sağlamaktadır. Bu yapının akım beslemesi termal gürültü ve gerilim izleyici yapısındaki dinamik aralık kullanılarak 8 nA olarak hesaplanmıştır. Tasarımda kullanılan kompanzasyon metodu CFRNMC'dir. Böylece normal RNMC yapılarına göre aynı kazanç ve bant genişliğinde 10°'ye yakın faz marjini artışı sağlanmıştır. Yapının son katmanı sözdesınıf AB kuvvetlendiricisi devrenin çıkışının akım akıtma kabiliyetini artırmakta ve daha yüksek kapasitif yükleri sürebilmesine olanak sağlamaktadır. Akım aynalarındaki idealsizlikler nedeniyle %10'a yakın aynalama oranı hatası dikkate alınarak faz, birim kazanç bant genişliği ve kompanzasyon kapasitesi değerleri hesaplanmıştır. Simülasyonlar sonucunda elde edilen edilen sonuçlar, hesaplanan değerler ile uyum göstermektedir. UMC 180 nm teknolojisinde kriyojenik ortama göre manipüle edilmiş parametreler ile tasarlanan üç katmanlı OTA, DC koşullarda, serim sonrası yapılan analizler için, 77 K sıcaklıkta 101.7 dB kazanç sağlamaktır. CFRNMC tekniği kullanılarak kompanze edilmiş devrede sol yarım düzlemde (LHP) gelen sıfır sayesinde yaklaşık 78° faz marjinine sahip olmaktadır. Yapılan hesaplamalar ve elde edilen sonuçlara göre 14 kHz birim kazanç bant genişliğine sahip olan devre yalnızca 147.9 nW güç tüketmektedir. Tasarım, yayınlanan diğer çalışmaların birçoğuna göre DC için 84.3 dB ile yüksek ortak sinyali bastırma oranına (CMRR) ve DC için +96.5/−83.4 dB ile de yüksek güç kaynağını bastırma oranına (PSRR) sahiptir. Bu nedenlerle yapılan çalışmanın çok düşük güç tüketen ve uzay çalışmaları için tasarlanacak yeni devrelere öncülük edebileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Today, exponentially increasing studies such as quantum electronics, asteroid and planet observations, and even space mining have increased the need for electronic circuits that can operate under extreme conditions without error. Circuits that can operate without consuming much power, especially in space conditions, allow for more or uninterrupted observations and measurements. The operating conditions for circuits operating in space are extreme. It is essential that the designs made for these circuits, which must operate in both high radiation and very cold conditions, produce accurate results because space is still a very costly environment in terms of research and observation costs. In this case, it is important to correct the errors in the designs at the simulation stage. The concept of a cryogenic environment defines the temperature values of 120 K (−153 ℃) and below, although the exact limits are not clear. This is because this temperature includes the boiling points of the main atmospheric gases. The design at cryogenic temperatures is indispensable for space exploration and quantum computers. Liquid nitrogen environment (LNT) is the most common method used to model cryogenic environments on the earth's surface and in laboratories and to develop circuits operating in space conditions. Nitrogen, which has a boiling point of approximately 77 K, contains most of the critical situations that electronic circuits encounter in space conditions. The operating range for integrated circuits traditionally based on common design models such as BSIM is between −55 ℃ and +125 ℃. However, when the design results made with these models are examined, it is observed that the error rate increases even moving away from the room temperature. This makes it inevitable to use new models for cryogenic conditions. The cryogenic modeling process used in this thesis is based on the logic of recalculating and replacing temperature-sensitive parameters and sub-parameters in the BSIM by using a MATLAB environment with a new algorithm. In this way, the margin of error in the experimental measurements is considerably reduced and this environment is accurately simulated in computer-aided programs. In experiments with many transistors in the cryogenic environment, it has been observed that the threshold voltage increases, but the current flowing capacity of the transistors increases as the mobility of the carriers rises. In addition, in the theoretical and practical studies, the linear reduction of thermal noise, which is seen as the main source of the noise in transistors, with temperature is promising results for the designers. With the developing electronic technology, the use of portable devices and biomedical sensors has become quite common. This brings the need for more efficient use of batteries, which cannot develop at the same rate. For this reason, the electronics industry turns to devices that work with less than 1 V power supply and consume very little power. One of the circuit design methods with a very low power supply is bulk-driven (BD) structures. Thus, when the gate terminals are biased with a DC voltage that creates a channel between the source and the drain, the current passing through the channel can be manipulated by the input signal applied from the bulk. In terms of the circuit designs, this method means removing the threshold voltage from the signal path. The most important advantages of the bulk-driven transistors can be shown as having much more linear transconductance and much less power consumption. In addition, without using n-channel and p-channel transistors together, the input common-mode range (ICMR) and output swing can be rail-to-rail. However, driving the transistor from the bulk also brings some disadvantages. The most important issue is the bulk transconductance is quite low compared to the gate-driven counterpart. Although it is theoretically possible to increase, it can activate the parasitic Bipolar Junction Transistors (BJT) in the structure and damage the chip. Also, low transconductance increases the noise factor of transistors. Another detriment is the high capacitive effects on the body. These effects greatly reduce the transition frequency of transistors. Another low power circuit design method is to operate the transistors in the subthreshold region. Transistors enter the subthreshold saturation region between 3 and 4 times their thermal voltage and can operate with low power supplies. Operational transconductance amplifiers (OTA), which are one of the indispensable building blocks of analog designs, are frequently used in analog signal processing, thanks to the high-level linear transconductance and stable high frequency performance. In this study, a three-stage OTA is designed in which all transistors operate in the subthreshold saturation region. It consists of an input stage based on non-tailed differential amplifiers, a second stage with a common-source amplifier, and a class AB output stage. The input stage provides high ICMR and 36 dB DC gain. The bias current of this structure was calculated as 8 nA using thermal noise and dynamic range in the voltage follower configuration. The compensation method used in the design is CFRNMC. Thus, a phase margin increase of nearly 10° was achieved at the same gain and bandwidth compared to conventional RNMC structures. In the last stage pseudo-class AB amplifier increases the current flowing capability of the output and enables it to drive higher capacitive loads. The phase, unity-gain bandwidth, and compensation capacity values were calculated by taking into account the mirroring ratio error of nearly 10% due to the imperfections in the current mirrors. The three-stage OTA, designed in UMC 180 nm technology with parameters manipulated according to the cryogenic environment, provides 101.7 dB DC gain at 77 K temperature for post-layout analyzes. it has a phase margin of approximately 78° thanks to the LHP zero provided by the CFRNMC. According to the calculations and simulations, the proposed circuit has 14 kHz unity-gain bandwidth and consumes only 147.9 nW. Also, the design has a higher CMRR (84.3 dB @ DC) and PSRR (+96.5/−83.4 dB @ DC) than most other published studies. For these reasons, it is thought that the study can lead the way to new low power and low voltage circuit designs for space studies.
Benzer Tezler
- Mikro ölçekte elektrosprey sistemi üretimi ve karakterizasyonu
Micro scaled electrospray system fabrication and characterization
MUHAMMET RAGIP ABDULLAHOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL
- Sıvı yakıtlı roket motorları için eş merkezli girdap enjektör tasarımı
Coaxial swirl injector design for liquid rocket engine
MEHMET KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
- A high linearity s-band cryogenic low noise amplifier using 180 nm CMOS technology for space applications
Uzay uygulamaları için 180 nm CMOS teknolojisiyle gerçeklenmiş yüksek doğrusallı kriyojenik s-bant düşük gürültülü kuvvetlendirici
ALİCAN ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BERKE YELTEN
- Turbopompa beslemeli sıvı yakıtlı roket motorları için kriyojenik pompa tasarım ve çark optimizasyon aracı oluşturulması
Development of cryogenic pump design and impeller optimization tool for turbopump-fed liquid propellant rocket engines
MUHAMMED BATUHAN KÖROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU