Elektron tüplerinden tek kırmıkta kamera ya... DRAM yapılarında tek kırmıkta Gigabit devri!..

Transkript

1 Elektron tüplerinden tek kırmıkta kamera ya... DRAM yapılarında tek kırmıkta Gigabit devri!.. Mikroişlemciler: yüzmilyonlarca transistor tek kırmıkta... Nereye kadar?.. Nasıl?..

2 Tümdevre tasarımı artık baskın olarak dijital mi? Tipik bir mixed-mode tümdevrede Kırmık alanın büyük bölümü dijital devrelerce harcanır Tasarım süresinin büyük bölümü analog devrelerin tasarımında harcanır Transistor sayısına bakılırsa, analog devrelerde çok daha az eleman kullanılırken, tasarımı neden daha uzun sürüyor? Analog tümdevre tasarımında performans kriterleri çok fazla (hız, güç tüketimi, kazanç, doğruluk (prezisyon), besleme gerilimi, gürültü, kararlılık, CMRR, PSRR, vb.)... Oysa tipik dijital tasarım genelde güç tüketimi, alan ve hız arasında bir orta yol bulmaya dayanır. Analog devrelerin performansı ikincil etkilerden belirgin biçimde etkilenebilir. Oysa tipik dijital devrelerde bunların etkisi rahatlıkla gözardı edilebilir.

3 Modelleme yetersizse analog devrenin çalışmama olasılığı da vardır. Dijital devrede böyle kritik olumsuz sonuçlara neden olmaz. Analog devrelerde, eleman eşleşmesini artırmak, parazitikleri azaltmak için herbir eleman özenle tek tek çizilir. Oysa tipik dijital devrelerin tasarımında otomasyon mümkündür (donanım tanımlama dilleri (HDL) aracılığıyla) Önemli: Yüksek performans beklenen bir dijital tümdevre bloğu, analog bir devreye gösterilen özenle tasarlanmalıdır. Yani, yüksek performanslı dijital tasarım aslında bir bakıma analog tasarımdır. Günümüzde dijital tümdevre tasarımda HDL kullanımı bir taraftan tasarımı hızlandırmaktaysa da, diğer yandan - bence - ne yazık ki devre tasarımı becerisini köreltmektedir. VLSI tasarımcılarının azımsanamaz bir kesiminin tasarım deneyimi yalnızca kod yazma ile sınırlanmaktadır.

4 Herşey dijitalleşirken analog tasarımcıya gerek kaldı mı? Dünya analog (Yani en azından, dış dünyayla DSP devreleri arasındaki arayüzleri oluşturan ADC, DAC ve süzgeçlerin kullanılması hep sürecek) Dijital haberleşmede zayıflamış işaretlere pre-amp Disk sürücü elektroniği Telsizlerde alıcı katları Optik haberleşme Sensörler Mikroişlemci ve bellekler (yüksek performanslı dijital yapıların tasarımı analog bilgi gerektirir + sense amplifiers) Doğal (analog) işaretlerin işlenmesi Güç kuvvetlendiricileri, analog modülasyon, lokal osilatör, doğrusal kuvvetlendiriciler, mixerler... Ayrık kullanım için analog tümdevre talebi yüksek (lojik tümdevre talebine yakın talep + mali getirisi yüksek) İyi bir analog tümdevre tasarımcısı el üstünde tutuluyor

5 ayrık tasarım Düşük toleranslı direnç (metal film direnç: <%0.01) Yüksek değerli bağlama/köprüleme kondansatörleri (elektrolitik: ~1mF) Bobin: büyük değerli, yüksek Q lu Prototipleme ucuz ve çabuk Anında düzeltme mümkün Orijinal devre üzerinde ileride başka değişiklikler yapmak mümkün Endüktif/kapasitif etkileşim az (veya önlemlerle azaltılabilir) tümdevre tasarımı Mutlak toleransı büyük (bazen nonlineer) sıcaklık katsayısı yüksek, çok yer kaplayan dirençler (Ör: 1M çok ciddi bir değer) Kapasiteler pf mertebesinde... Kapasitif kuplajdan ancak çok yüksek frekanslarda yararlanılabilir Bobin elde etmek mümkün ama birkaç nh den büyük olamıyor (GHz bölgesi için uygun) Üstelik düşük Q lu ve parazitikleri fazla Prototipleme pahalı; zaman alır (aylar) Hataları düzeltmek için ilk prototip beklenmeli Hata düzeltmek aylara/dolarlara mal olur simülasyon araçları prototipleme işlevi görüyor (Ör: SPICE) Parazitik etkileşim çok yüksek ve birçok yapıda sorun oluyor

6 Direnç kullanımı ve kapasite kullanımından kaçınıldığından, tümdevrede kutuplama felsefesi değişmiştir. sabit akım kaynaklarıyla kutuplama simetrik besleme aktif yükler. Ayrık devre Tümdevre

7 Analog tasarımda tümdevre yapısının yararlanılan özellikleri: Eleman eşleşmesi ve ısıl eşleşme çok iyi!.. Şu yapılar bundan yararlanabildiğinden tercih ediliyor: Akım aynaları (kutuplama amaçlı ve/veya aktif yük olarak kullanılıyor + ayrıca akım-modu devrelerin temel yapıtaşı) Direnç oranlarına dayanan performans parametreleri Örnek 1: Örnek 2:

8 Direncin mutlak değerine bağlı parametreler varsa: direnç dışarıdan bağlanabilir içerideki dirence laserle ince ayar (pahalı) yüksek kaliteli direnç (küçük değerli) kontrollü direnç kullanımı (doğrusallık gösteren transistor temelli yapılar) + dışarıdan veya içeriden otomatik ayar Dirençlerin olumsuz özellikleri ve çok yer kaplamaları yüzünden aktif yüklü yapılar sık kullanılıyor. Ancak çeşitli sorunlar çıkıyor. En önemlilerden biri non-lineerliğin artması. Çözümler: negatif geribesleme tümüyle diferansiyel (dengeli) yapılar doğrusallaştırma yöntemleri küçük genliklerle çalışma

9 Ayrıkta RLC süzgeçlerle kaliteli süzgeç/osilatör mümkün. Tümdevrede bobinin entegrasyon işlevi işlemsel kuvvetlendiricili entegratörce üstleniliyor. (İşlemsel kuvvetlendiricilerin ayrık transistorlarla gerçeklenmesi zor) Tümdevre tasarımında ayrık tasarıma göre diğer bir zorluk: Kırmık ısındıkça V CC dışındaki kutuplamalar kayar performans sapması Çözümler: Tümdevrede sıcaklıktan bağımsız (üstelik DC beslemeden bağımsız) kutuplama referansları elde edilip kullanılır (Örnek: Band aralığı referansı) Kırmığın sıcaklığını yüksek bir sıcaklıkta- sabit tutan ısıtma sistemi de kullanıldığı olur

10 Tümdevre teknolojisi seçimi BJT CMOS BiCMOS GaAs Analog için çok uygun Hızlı dijital devreler için (ECL) uygun Çok yüksek frekans uygulamaları için heterojunction transistorlar (HBT) mevcut (Ör: SiGe) Yoğun dijital devreler için en uygun/ucuz çözüm Tümleştirme yoğunluğu yüksek Güç tüketimi düşük (portatif cihazlar için önemli) Analogda BJT ye göre avantajı, yüksek giriş direnci Ancak, aynı DC akım için daha düşük g m Mixed-mode tasarım için kaçınılmaz (CMOS analog günümüzde BJT yle boy ölçüşüyor) BJT ve CMOS un avantajlarını birleştiriyor Daha pahalı ama yüksek performanslı analog ve yüksek hızlı dijital yapılar gerektiren mixedmode tasarımlar için en uygun çözüm Artık HBT temelli BiCMOS teknolojisi de kullanımda (Ör: SiGe BiCMOS) Çok yüksek frekans (RF) uygulamaları için uygun Yüksek hızlarda çalışıyor Yalnız n kanallı FET var GaAs temelli dijital devreler üzerinde çalışıldı (Ancak standartlaşmadığından pahalı) GaAs temelli bilgisayar yapıldı; çok hızlı ama çok pahalı

11 Analog Süzgeçler Sürekli-zaman analog süzgeçler Türler: Aktif-RC MOSFET-C G m -C (OTA-C) CCII-RC Akım-modu süzgeçler Diğerleri... Örneklemeli-veri analog süzgeçler Türler: SC (Anahtarlanmış kapasite) SI (Anahtarlanmış akım) Köşe frekansı(f k ) şunlar yüzünden kayar: Proses toleransları Eleman toleransları Sıcaklık değişimi Yaşlanma Öngörülemeyen ikincil etkiler SC en sık kullanılan süzgeç tipidir Kapasite oranlarına ve örnekleme frekansına bağlı köşe frekansları: f k ~ f samp C 1 /C 2 ( Üretim sonrası f k öngörülen değere çok yakındır (%1 den küçük hata) )

12 Bu yüzden düzeltme ayarı gerektirir (genelde kırmıkiçi otomatik ayar) O nedenle, süzgeç karakteristiklerinin ayarına izin veren yapılar yeğlenir. Sorunlar: Aliasing Saat girişimi Nyquist sınırlamaları Diğer... Girişte aliasing önleyici ve çıkışta yumuşatıcı alçak geçiren süzgeçler gerekir (Bunlar sürekli-zaman olmak zorunda) Örnekleme frekansı yeterince yüksek değilse, bu sürekli-zaman süzgeçlerin tasarımı kritikleşir Bu yüzden SC süzgeçler sürekli-zaman süzgeçlere göre daha düşük frekanslarda işaretleri işleyebilir.

13 Düşük gerilim için tasarım Düşük besleme gerilimine olan gereksinimin nedenleri: küçülen eleman boyutları (oksit inceldikçe delinme gerilimi düşüyor) dijital devrelerin güç tüketimi sorunu (P dis ~ C L f clk V DD 2 ) portatif cihazların daha düşük değerli pillerle çalışma gereksinimi BJT düşük gerilim için daha uygun ama tümleştirme yoğunluğu düşük CMOS ta eşik gerilimleri (V Tn, V Tp ) düşürülerek benzer performansa ulaşılabilir. Ancak bu, eşikaltı akımın yükselmesine neden olduğundan, hem dijitalde (stand-by güç tüketimi), hem de analogda (özellikle örneklemeli analogda) sorun yaratır. Dijital CMOS ta MTCMOS bir çözüm olarak sunuluyor (henüz standartlaşmadı)

14 Analog CMOS için yüksek kazanç elde etmek üzere kaskod yapılar yerine kaskad yapılar... Kuvvetlendiricinin kutupları artıyor daha karmaşık kompanzasyon teknikleri gerektirir (Nested Miller compensation) Diğer olanaklar da var: Gövde-kaynak jonksiyonunu ileri yönde kutuplayarak daha düşük V T ler elde etmek mümkün Gövdeyi bir giriş/ kontrol ucu olarak kullanan yapılar (bulk-driven) MTCMOS (Çok pahalıya gelir) Kaskod yapılardan vazgeçmek ille de şart değil: Daha uygun yapılar Katlanmış kaskod yapılar Kendinden kaskod yapı

15 Tümüyle diferansiyel yapılar Kullanılan tasarım yöntemi ne olursa olsun, tümüyle diferansiyel bir yapı düşük gerilim için çok daha uygun (ama onunla sınırlı değil) Tümüyle diferansiyel yapıların avantajları giriş/çıkış salınımı daha geniş CMRR ve PSRR çok daha iyi doğrusallık yüksek (çift dereceden non-lineerlikler birbirini götürüyor) simetrik yapı sistematik ofseti düşürüyor Ancak çıkışların DC kararlılığının sağlanması gerekir! (Genelde ortak işaret geribeslemesi kullanılır) Ortak işaret geribesleme devresinin diferansiyel yapının avantajlarını bozmaması gözetilmelidir.

16 Akım-modu tümdevreler Düşük gerilim için uygun başka bir tasarım yaklaşımı... Aslında akım-modu tasarımı da düşük gerilim avantajıyla sınırlamak haksızlık olur. Giriş ve çıkış düğümlerinin salınımı V DD ye değil, elde edilen düğüm empedansı seviyelerine bağlı!.. Yani, gerekli empedans seviyeleri sağlandıkça, istendiği kadar geniş (teorik olarak) akım giriş/çıkış salınım aralıkları sağlanabilir. Avantajlar: yüksek hız sağlanır (kapasitif ağırlıklı parazitikler üzerindeki gerilim değişimleri az olduğundan) geniş dinamik aralığı [Örnek: 0.1μA μA (3 dekat) ] akımların toplanması, çıkarılması, evrilmesi çok kolay translineerlik ilkesi (akım-modunda işaretleri aritmetik işlemler uygulamanın en önemli aracı): çarpma, bölme, kare, karekök, vb.

17 Tümüyle veya baskın olarak akım modu çalışan devre örnekleri: akım aynası (temel akım-modu yapıtaşı) akım taşıyıcı akım-modu işlemsel kuvvetlendirici OTA / geçiş iletkenliği devresi OTRA (Norton kuv.)... Yüksek frekanslarda çalışacak sürekli-zaman süzgeçlerinde G m -C, CCII-RC ve diğer akım-modu süzgeçler bu yüzden tercih edilir. Köşe frekansı ayarına izin vermesi ve direnç kullanmaması nedeniyle G m -C hala en fazla tercih edilendir. Son yıllarda ayara izin veren akım taşıyıcılar da literatürde çıktı.

18 RF Mikroelektronik Artık GHz ler mertebesinde işaretleri işleyebilen analog tümdevreler ucuza üretilecek (Standartlaşmış olması nedeniyle ve temelband lojik yoğunluk olarak en avantajlı teknoloji olduğundan CMOS hedef olarak seçildi) Kanal boyları kısaldıkça parazitikler küçülüyor β lar yükseliyor D-S arası uzaklık kısaldıkça hız artıyor RF mikroelektronik uygulamaları: GSM (~ 1-2GHz) Ev uydu alıcıları (~10GHz) Bluetooth Diğer... CMOS RF IC artık mümkün!..

19 CMOS ta GHz lere erişildi Kırmıkiçi bobinler ve/veya ince bağlantı telleri (bond wire) kullanılıyor Modelleme üzerinde daha yapacak çok iş var RF tümdevreler şimdilik pratik olarak birkaç deneme sonrası istenen performansa sahip olarak elde edilebiliyor Önemli bir sorun da, son yılda klasik RF çilerle yeni nesil mikroelektronikçilerin yollarının belirgin biçimde ayrılmış olması... RF IC için bu iki grup biraraya gelip hem RF tasarım hem de tümdevre tasarımının gelişmiş biçimlerini birleştirmeye çalışmakta... Ancak bu iş -özellikle yaklaşım farklılıkları nedeniyle- yeterince verimli olamamaktadır. Bugün dünyada RF IC konusunda uzman denebilecek kişiler (Hem RF, hem de tümdevre konusunda günceli yakalayabilen mühendisler) sayılıdır.

20 İTÜ de tümdevre tasarımı temelli çalışmalar 1) Araştırma çalışmaları Eleman modelleme - Transistor modelleri - Elektronik düzen makromodelleri - VLSI arabağlantı modelleri Tümleşik analog süzgeçler - Yeni analog süzgeç konfigürasyonları - Yeni analog süzgeç yapıtaşları - Süzgeç yapıtaşlarının transistor düzeyi iyileştirilmiş tasarımı VLSI - Puslu lojik (Fuzzy logic) - Kapasitif eşik lojiği (CTL) RF Mikroelektronik - CMOS RF tasarım - Bipolar (özelde SiGe) RF tasarım - RF tasarıma uygun modeller geliştirme Doğrusal analog işlem blokları (Örnek: Analog çarpma devreleri)

21 2) Proje çalışmaları Dijital ASIC projeleri - Eleman düzeyi tasarım gerektirenler (yüksek performanslı) - Kapı dizisiyle (gate array) gerçekleştirilebilenler - FPGA yardımıyla prototipleme yapılabilenler (sonradan gate array ASIC) Analog ASIC projeleri - Tipik performans sağlayacak olanlar (CMOS) - Yüksek performans sağlayacak olanlar (BiCMOS) Mixed-mode ASIC projeleri - Tipik performans sağlayacak olanlar (CMOS) - Yüksek performans sağlayacak olanlar (Si BiCMOS) - Yüksek hız ve performans sağlayacak olanlar (SiGe BiCMOS) Gerek ucuzluğu, gerekse dijital tümleştirme yoğunluğu nedeniyle CMOS tan pek uzak durulmuyor. Projeler genelde Ar-Ge çerçevesinde gelmediğinden akademik değeri olan çalışmalar çıkmayabilir. Projelerde sınanmamış yeni/gelişmiş tasarımlara yönelmek risklidir. Olabildiğince bildik yapılar, hatta -sık sık- üretimevinin sunduğu standart hücre elemanları kullanılır.

22 Başka neler yapılmalı? Veri dönüştürücülerle (ADC/DAC) ilgili çalışmalara girişilmeli RF Mikroelektronikle ilgili çalışmalara daha çok kişi katılmalı Örneklemeli Analog konusunda neredeyse hiç çalışma yapılmamış Optik mikroelektronik konusu araştırma yapmaya uygun Akım-modu devreler (hem analog hem dijital) giderek yaygınlaşıyor Düşük gerilim analog tasarım artık kesinlikle çok önemli Diferansiyel yapılar + ortak işaret geribeslemesi unutulmamalı Günümüzde gerçek anlamda tümdevre tasarımcısı olacak bir kişi, elektronik mühendisliğinin çeşitli disiplinlerine yeterli derecede hakim olmalı. Bu yüzden, böyle bir mühendisin eğitileceği eğitim kurumunun ders program ve içerikleri de ona göre düzenlenmeli