Geri Dön

GF 22nm FDSOI power management unit with integrated SRAM design

Entegre SRAM tasarımlı GF 22nm FDSOI güç yönetim birimi

PDF İndir

  1. Tez No: 776001
  2. Yazar: MAHMUT ÇOBAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEKİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Bu tezde sunulan araştırmanın birincil amacı, uzay ve lidar uygulamaları için PMU ve SRAM devreleri tasarlamaktır. Bu PMU bloğu, zorlu sıcaklıklarda (yani 150 °C) bile herhangi bir SoC uygulaması için gerekli tüm güç kaynağını sağlayabilir, bu da onu uzay uygulamaları için uygun hale getirir ve bunu sadece global bir voltaj kaynağıyla yapabilmektedir. Ek olarak, bu global besleme, 1,8 V ila 3,6 V arasında değişen geniş bir aralığa sahiptir. Bu tam aralıkta kendini otomatik olarak ayarlaması bakımından benzersizdir. Ayrıca tüm bu avantajları sunmasına rağmen ekonomik ve performans standartlarından asla ödün vermemektedir. Yüksek çözünürlülük avatajınının sonucu olarak lidar, son zamanlarda geleceğin teknolojik girişimlerinin ilgi odağı haline geldi. Otonom sürüş, robotik mikrocerrahi ve yüz tanıma gibi bazı uygulamalar, çözünürlük ve ölçüm mesafesindeki geliştirmelerinden ötütü lidar teknolojilerinden oldukça yararlanıyorlar. Ayrık bileşenler kullanılarak gerekli menzil çözünürlüğü gibi gerekli işlevsel niteliklere ulaşmak mümkün olsa bile, mevcut lidar sensörlerinin yüksek güç tüketimleri, büyük boyutları ve yüksek maliyetleri gibi dejavantajlarından ötürü herşeyi çip içinde halletemek popüler bir hale geldi. Lidar uygulamalarında kullanılan başlıca iki mesafe ölçüm tekniği vardır. ToF yöntemi orijinal ve en sık kullanılan yaklaşımdır. Bir lazer darbesi oluşturulur ve nesneye iletilir ve elektronik zamanlama devresi, üretilen ve alınan darbe sinyalleri arasındaki aralığı ölçer. FMCW yöntemi, ikinci mesafe ölçüm tekniğidir. Bir FMCW radarı,“chirp”olarak bilinen bir sinyal yayar. Bir chirp sinüzoidinin frekansı zamanla doğrusal olarak artar. Chirp, bir sentezleyici tarafından üretilir ve TX anteni aracılığıyla yayınlanır. Chirp bir nesneden yansıtılır ve RX anteni tarafından alınır. RX sinyali ve TX sinyali, bir IF sinyali üretmek için karıştırılır. Oluşan bu sinyalde işlenerek mesafe ölçümü gerçekleştirilir. Biz bu tezde ikinciyöntem olan FMCW metodunun çip içerisinde planlanan tasarımı için gerekli olan güç dağıtım devresini (PMU) ve SRAM devreleri tasarlanacaktır. Tez aşağıdaki şekilde yapılandırılmıştır: Bölüm 2'de, SRAM bloğu hakkında temel bilgilerden projede kullanılması öngörülen yapının tasarımına kadar olan aşamalar ele alınacaktır. Bu bölüm ayrıca SRAM'ın simülasyon bulgularını da içerecektir. SoC'nin birincil bileşeni SRAM'dir. SRAM, çift durumlu kilitleme devresi kullanarak her bir biti kaydeder. Periyodik olarak güncellenmesi gereken dinamik RAM'in aksine, SRAM bunu yapmaz. SRAM hücreleri, klasik bir mikroişlemcinin kalıp boyutunun yaklaşık yarısını ve transistör sayısının üçte ikisini oluşturur. Transistörlerin boyutunun küçülmesi, güç tüketimindeki artışın bir temel nedenlerden biridir. Minimum trasitör uzunluklarının kısalması , cihazların anahtarlama oranlarını korumak için son derece düşük eşik voltajları ve ayrıca kısa kanal etkilerini ele alırken mevcut sürücüyü korumak ve eşik voltajındaki dalgalanmaları düzenlemek için son derece ince geçit oksitleri gerektirir. Düşük eşik voltajı nedeniyle, eşik altı kaçak akım katlanarak gelişir ve statik güç tüketimine neden olur. Yazma veya okuma işlemleri sırasında, büyük bit hatlarının şarj edilmesi ve boşaltılması kapasitansı, gereken dinamik gücün çoğunu oluşturur. En yeni CMOS teknolojisi düğümleri, hem statik hem de dinamik güç tüketimini artırır. En güncel teknolojik düğümlerde bu, SRAM'lerin önündeki ikinci engeldir. Bizde bu bölümde bu soruna çözüm bulmaya çalışacağız. SRAM dizi sistemi, 0,85 V güç kaynağına sahip GF FD-SOI 22 nm CMOS teknolojisi ile oluşturulmuştur. SRAM hücresinin DC karakteristik eğrilerine göre SNM, Okuma işlemi sırasında 0,216 V ve Yazma işlemi sırasında 0,383 V'dir. Okuma ve Yazma işlemleri 2GHz hızında gerçekleştirilir. Tüm güç tüketimi 3,6 mA ve toplam yerleşim alanı 0,213 x0,273 µm^2 'dır. Bölüm 3'te Buck Dönüştürücü'da kullanılacak olan ve dahili PMU olarak adlandırdığımız PMU'daki Analog blokları besleyen temel besleme kaynakları derinlemesine incelenecektir. Ayrıntılı simülasyon sonuçları ve aralarındaki ilişkiler sunulacaktır. Dahili güç yönetimi alt blokları tartışılacaktır. Bu bloklar, bir Bant Aralığı Referans devresi (BGR) ve üç farklı Düşük Düşme regülatörüdür (LDO): korumalı bir yüksek voltajlı LDO, bir her zaman AÇIK yardımcı LDO ve güç dönüştürücü seviye değiştiriciler için akım alıcı LDO. BGR, tüm PVT köşelerinde sabit referans voltajları üreten temel bir tasarım bloğudur. LDO'lar, sistem için besleme gerilimleri üretmek üzere bu referans gerilimlerini kullanır. Gürültüye ve dalgalanmaya duyarlı analog devreler için LDO, düşük gürültü ve dalgalanma seviyelerine sahip temiz bir çıkış voltajına sahiptir. Bir LDO'da genellikle çıkış voltajını kontrol etmek için bir op-amp, güç/geçiş transistörünü çalıştırmak için bir buffer ve yüksek sürüş kapasiteli sabit bir voltaj vermek için bir güç transistörü bulunur. LDO'lar yüksek PSRR'ye, düşük gürültüye, düşük dalgalanmaya, hızlı geçici yanıta, düşük yüksüz sakin akıma, iyi hat düzenlemesine ve yük düzenlemesine sahip olmalıdır. Yüksek PSRR (paraziti güç kaynağından ayırmak için) ve düşük gürültü ve dalgalanma, RF sistemleri için çok önemlidir. Yukarıdaki gerekliliklere ek olarak, LDO sürekli kararlılığa sahip olmalıdır. Tasarım sürecinde, bu yönler anahtar parametrelerdi. Sistem güç kaynağı, çeşitli uygulamaları kapsamak için 1,8 V ile 3,6 V arasında büyük ölçüde değişir. Sağlanan besleme seviyesine göre sistem otomatik olarak kendini ayarlar. BGR, yüksek voltajlı LDO ve diğer sistem blokları için öngerilim üretmek üzere bir süreç, besleme voltajı ve sıcaklık (PVT) kararlı referans voltajı ve akım üretir; yüksek voltajlı LDO, çok çeşitli giriş besleme voltajı alır ve her zaman 1,8 V çıkış üretir. Akım alıcı LDO, dijital sürücü devreleri için izleme seviyesi kaydırıcı voltajı üretir ve transistörleri Güvenli Çalışma Alanında (SOA) tutmak için besleme voltajına göre otomatik olarak ayarlar. Yardımcı BGR ve yardımcı LDO son derece düşük güçtür ve sistem çalıştırıldığında ana LDO tarafından üstlenilen kaba her zaman AÇIK çıkış seviyesi sağlayarak tavuk-yumurta sorunlarının üstesinden gelmek için kullanılırlar. Önerilen proje 22 nm FD-SOI'de tasarlanmış ve simüle edilmiştir ve yerleşim alanı 292.4 µm x 98.3 µm'dur. Bölüm 4'te, PMU'nun son bileşeni olan Buck Dönüştürücü ele alınacaktır. Dönüştürücü'ın kullandığı metodolojiyi, devreleri ve simülasyon sonuçlarını sağlayacaktır. Bu bölümde, dijital sistemler veya gürültünün önemsiz olduğu sistemler için yük akımına göre ayarlanabilir kapı boyutu kontrolüne sahip çift modlu bir DC-DC buck dönüştürücü açıklanmaktadır. Hafif yük uygulamaları için, yük akımına dayalı olarak optimum anahtarlama frekansını belirleyerek maksimum güç verimliliği elde etmek ve dolayısıyla gereksiz anahtarlama kayıplarını en aza indirmek için seçici bir uyarlamalı zamanında darbe frekans modülasyonu (PFM) kontrolü sunulur. Bazı durumlarda, indüktör tepe akım değeri veya dönüştürücü çıkış voltajı dalgalanması dikkate alındığında açık kalma süresi daha fazla değiştirilebilir. Ağır yük uygulamalarında, geniş bir akım aralığında verimliliği sağlamak için ayarlanabilir güç geçitlerine sahip tipik bir darbe genişlik modülasyonu (PWM) kontrol yöntemi kullanılır. Devre genel olarak ilerde bahsedilen prosedürleri prosedürleri takip eder: Çıkış voltajını kademeli olarak artırmak ve Buck Dönüştürücünün çalışmasını başlatmak için önce yumuşak başlangıç devresi etkinleştirilir. İşlem başladıktan sonra, indüktörden geçen akımın 100 mA'dan büyük mü yoksa küçük mü olduğunu değerlendirmek gerekir. Akım 100 mA'nın altındaysa PFM devresi tetiklenir; aksi takdirde, PWM çıkış akımını ve voltajını kontrol eder. Daha önce belirtildiği gibi, yük akımı değiştiğinde PWM sistemin performansını değiştiremez. Yanıt olarak, girişte ASM olarak bahsettiğimiz PWM ile birleştirilmiş yeni bir modülasyon şeması tasarladık. Bu ASM yaklaşımı, mevcut okumaya dayalı olarak güç kapılarının boyutunu otomatik olarak değiştirir. 22 nm CMOS FDSOI teknolojisi kullanılarak, 10mA'dan 8A'ya mevcut aralıkta bildirilen 93.0 %'lik bir verimliliğe ulaşan bir çift modlu buck dönüştürücü prototipi simüle edilmiştir. Sonuç, Bölüm 5'te bulunmaktadır. Bu bölüm, araştırmanın sonuçlarını ve katkılarını özetlemektedir. Bu tezde bir SRAM ile entegre PMU tasarımına odaklandık. Bu PMU bloğu, herhangi bir SoC uygulaması için gereken tüm güç kaynağını, onu uzay uygulamaları için uygun kılan aşırı koşullarda (yani 150 °C) bile sağlayabilir ve bunu yalnızca küresel bir tedarik elde ederek yapar. Aynı zamanda bu küresel besleme 1.8V'tan 3.6V'a kadar çok geniş bir yelpazeye sahiptir. Tüm bu aralıkta kendini otomatik olarak ayarlaması onu benzersiz kılıyor. Ayrıca tüm bu özelliklere sahip olmasına rağmen verimliliğinden ve performansından asla vazgeçmez. Ayrıca, dinleyicilere, elde edilen bulguların ışığında gelecekte yapılması muhtemel araştırmalar sunulur.

Özet (Çeviri)

The primary objective of the research presented in this dissertation is to design PMU and SRAM circuits for space and lidar applications. This PMU block is able to provide the whole power supply necessary for any SoC application, even in harsh temperatures (i.e., 150 °C), making it appropriate for space applications, and it can only do so by acquiring a worldwide supply. In addition, this worldwide supply has a wide range, ranging from 1.8V to 3.6V. Unique in that it automatically adjusts itself across this full range. Furthermore, despite offering all these advantages, it never sacrifices its economy or performance standards. The thesis is structured as follows: In Chapter 2, the stages from the fundamental information about the SRAM architecture to the design of the structure anticipated to be employed in the project will be discussed. This chapter will also feature the simulation findings from SRAM. The SRAM array system is built with GF Fully Depleted Silicon on Insulator (FD-SOI) 22nm CMOS technology and a 0.85 V power supply. According to the DC characteristic curves of the SRAM cell, the SNM is 0.216 V during the read operation and 0.383 V during the write operation. Read and write operations are performed at a rate of 2 GHz. The entire power consumption is 3.6 mA, and the total layout area is 0.213 x0.273 µm x µm. In Chapter 3, the fundamental supply sources that will be utilized in the Buck Converter and supplying the analog blocks in the PMU, which we refer to as the internal PMU, will be analyzed in depth. Detailed simulation results and their interrelationships will be presented. The internal power management sub-blocks will be discussed. These blocks are a Bandgap Reference circuit (BGR) and three different Low-Dropout regulators (LDOs): a protected high-voltage LDO, a companying always-ON auxiliary LDO and a current sink LDO for power converter level shifters. The system power supply ranges from 1.8 V to 3.6 V, so that it can be used for a wide range of tasks. The system automatically adjusts itself according to the provided supply level. The BGR produces a process, supply voltage, and temperature (PVT), a stable reference voltage, and current to produce bias for high-voltage LDO and other system blocks. The high-voltage LDO takes in a wide range of input supply voltages and always produces 1.8V output. The sink LDO generates the tracking level shifter voltage for digital driver circuits and adjusts automatically according to supply voltage to keep transistors in the Safe Operating Area (SOA). The auxiliary BGR and auxiliary LDO are extremely low power, and they used to overcome“chicken-and-egg”problems by providing a coarse, always-on output level that was overtaken by the main LDO when the system was powered up. The proposed project is designed and simulated in a 22-nm FD-SOI, and the layout area is 292.4 µm x 98.3 µm. In Chapter 4, we'll talk about the Buck Converter, which is the last part of the PMU. It will provide the Buck Converter's employed methodology, circuits, and simulation results. This section talks about a dual-mode DC-DC buck converter with a gate size control that can be changed based on the load current for digital systems or systems where noise doesn't matter. For light-load applications, a selective adaptive on-time pulse frequency modulation (PFM) control is presented to achieve maximum power efficiency by determining the optimal switching frequency based on the load current, thereby minimizing unneeded switching losses. When the inductor peak current value or converter output voltage ripple is taken into account, the on-time can be modified further in some cases. In heavy-load applications, a typical control method called pulse width modulation (PWM) is used with power gates that can be changed to make sure efficiency over a wide range of currents. A dual-mode buck converter prototype is simulated using a 22 nm CMOS FDSOI technology, attaining a reported 92.0% efficiency across the current range from 10 mA to 8 A. The conclusion is found in Chapter 5. This chapter summarizes the research's results and contributions. The audience is also told what kind of research might be done in the future based on what has already been found.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    79915

    Beden Eğitimi derslerinin okullardaki fonksiyonu ve orta öğretimdeki öğrencilerin motor performans düzeylerinin ölçülmesi (Sivas örneği)

    Physical education lessons in function at schools and secondary education in students are measure motor performance levels (example in Sivas)

    MENDERES DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    SporCumhuriyet Üniversitesi

    Beden Eğitimi ve Spor Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HASAN ELDEN

  2. Tez No

    772431

    Üniversite öğrencilerindeki somatizasyon belirtileri ile çocukluk çağı travmaları ilişkisinde bilinçli farkındalığın düzenleyici rolünün incelenmesi

    Analysis of the moderator role of mindful awareness in the relationship of somatization symptoms and childhood trauma in university students

    FULYA BÜYÜKBAŞOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Psikolojiİstanbul Aydın Üniversitesi

    Psikoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT YAVUZ

  3. Tez No

    358853

    Muğla ilinde oto yan sanayii'nde çırak olarak çalışan çocuk ve genç işçilerin çalışma koşulları ve iş sağlığı ve güvenliği bakımından değerlendirilmesi

    Muğla worked as an apprantice children and young people in car side industry workers working conditions and terms of occupational health and safety evaluation

    YELİZ USLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Çalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileriMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Çalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDURRAHMAN AYHAN

  4. Tez No

    663095

    Ayrılıkçı terörizmin ideolojik kökeni: ETA üzerine inceleme

    The ideological origin of separatist terrorism: A study on ETA

    ELİF GÖKSU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kamu YönetimiTrakya Üniversitesi

    Kamu Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEMİLE ARIKOĞLU ÜNDÜCÜ

  5. Tez No

    287031

    İZAYDAŞ çevresindeki topraklarda PAH ve PCB'lerin incelenmesi

    Investigation of polychlorinated biphenyls and polycyclic aromatic hydrocarbons in soil around IZAYDAS

    DİLARA ÇETİNDAMAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Çevre MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİL VELİ

Geri Dön