1. ANALOG CMOS TÜMDEVRE TEKN

Transkript

1 1. ANALOG CMOS TÜMDEVRE TEKN 1.1. Giri, Analog tümdevrelerde CMOS teknolojisinin yeri Ortaya çıktıı ilk yıllarda daha çok sayısal sistemlerin gerçekletirilmesinde yararlanılan CMOS teknolojisi, günümüzde, analog tümdevre yapı bloklarının oluturulmasında gittikçe yaygınlaarak kullanılmakta, literatürde sürekli olarak bu alanda yapılan yeni çalımaları ve gelitirilen yeni devre bloklarını yansıtan yazılarla karılaılmaktadır. Bunun balıca nedeni, gün geçtikçe analog ve sayısal sistemlerin içiçe girmesidir. Teknolojinin gelimesiyle gittikçe küçülen eleman boyutları, CMOS teknolojisinin yüksek younluklu karmaık karma iaret ileme sitemlerinin tümletirilmesinin yolu olarak önem kazanmasının balıca nedeni olmutur. aret ileme uygulamalarının frekans bölgesine daılımı ekil-1.1 de görülmektedir. Yine bu uygulamaların hangi teknolojilerle gerçekletirildikleri de ekil-1.2 de gösterilmitir. aretlerin ilenmesinde sayısal sistemlerin üstünlüünün tartıılmaz olmasına karılık, gerçek dünya analogdur. Bu da analog sistemleri ve analog yapı bloklarını vazgeçilmez kılan en önemli etkendir. Analog yapı blokları ve sistemler, sayısal dünya ile gerçek dünya arasında bir köprü olutururlar. Çounlukla, iaretin analogdan sayısala çevrilmesi yahut bunun tersinin gerçekletirilmesi için gerekli olan presizyonlu kuvvetlendirme, süzme, örnekleme ve tutma, gerilim karılatırma, presizyonlu ikili kod aırlıklı gerilim ve akım üretme vb. analog fonksiyonların gerçekletirilmesine gereksinme duyulmaktadır. Alt sistemlerin eski teknolojide olduu gibi, ayrı ayrı bipolar analog ve MOS sayısal bölümlere ayrılması ise, birçok durumda kılıflama maliyeti, baskılı devre üzerinde kaplanan yer gibi nedenlerle, istenen bir özellik olmamaktadır. Bunun yanı sıra, aynı ilevleri yerine getiren bloklar için MOS teknolojisi ile gerçekletirilmede bipolar tranzistorlara göre çok daha az yonga alanı kullanılmaktadır. Günümüzde, teknolojinin gelimesine paralel olarak MOS tranzistorların boyutları da küçülmü, bu da belli bir yonga alanına çok daha fazla eleman, dolayısıyla çok daha fazla sayıda devre bloku sıdırılmasını salamıtır. 0.35µm, 0.25µm, 65nm gibi CMOS teknolojileri standart teknolojiler haline gelmilerdir ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle, sayısal sistemlerin tasarımında 65nm CMOS teknolojisi yüksek younlukta

2 1.2 tümletirme salamaktadır. 65nm boyutundan daha küçük boyutlu teknolojilerin gelitirilmesi ve kullanılması yönündeki çalımalar da hızla sürdürülmektedir. ekil-1.1. aret ileme uygulamalarında kullanılan frekans bölgeleri ekil-1.2. Günümüz teknolojileriyle ilenebilen frekans bölgeleri

3 1.3 CMOS teknolojisiyle gerçekletirilen bloklarının gittikçe yaygınlatıı dier bir alan da Radyo Frekansı (RF) uygulamalarıdır. Bu alanda gerçekletirilen çalımalar ve yeni uygulamalar artarak ve gittikçe yaygınlaarak literatürde yer almaktadır. Bipolar teknolojisi ile karılatırıldıında, MOS teknolojisinin analog fonksiyonların gerçekletirilmesi açısından yararlı yanları olduu kadar yetmez kalan özellikleri bulunduu söylenebilir. MOS teknolojisinin bipolar tranzistorlara göre önemli sayılabilecek sakıncaları öyle özetlenebilir : 1. Aynı kolektör akımı için bipolar tranzistorların g m geçi iletkenlii MOS tranzistorlara göre kıyaslanamayacak kadar yüksektir. 2. Geçi iletkenliinden ileri gelen bu sakıncayı gidermek üzere, kazanç katlarında büyük deerli dirençler kullanılabilir. Ancak, MOS teknolojisi ile büyük deerli dirençler elde etmek oldukça güçtür. Bu dirençleri elde etmek için kullanılan kırmık alanı da o kadar fazla olmaya balar ki, bunların kullanılması pratik olmaktan çıkar. Bu yüzden, MOS tranzistorlarla çalıılırken büyük kazanç deerleri elde etmek üzere aktif elemanlardan yararlanma zorunluluu bulunmaktadır. 3. MOS tranzistorların frekans cevabı bipolar tranzistorlarınkine göre daha kötüdür. 4. malat sırasında meydana gelen eletirme sorunu yüzünden, ilemsel kuvvetlendiricilerin giri dengesizlik gerilimi daha fazladır. 5. 1/f gürültüsü daha yüksek olmaktadır. Bütün bu sakıncalara ramen, günümüzde CMOS teknolojisi ile gerçekletirilen analog devreler gittikçe yaygınlamaktadır. Bunun nedeni, daha önce de belirtildii gibi, analog ve sayısal sistemlerin gün geçtikçe içiçe girmesidir. Sayısal sistemlerde CMOS teknolojisinin kullanılması, analog sistemlerde de aynı teknolojinin kullanılabilir olması, ekonomik açıdan büyük yararlar salamaktadır. Bunun yanısıra, yüksek giri direnci, çekilen akımın düük olması gibi nedenler de CMOS yapıların saladıkları temel üstünlükler arasında sayılabilir.

4 MOS tranzistoru karakterize eden temel baıntılar Analog tümdevrelerin analizinde kullanılacak temel baıntılara kısaca deinmekte yarar vardır. MOS tranzistorun elektriksel özellikleri aaıdaki baıntılarla verilmektedir: Doymalı bölgede V GS -V T V DS için I 1 W 2. C V V 1. V (1.1) 2 L D OX GS T DS Doymasız bölgede V GS -V T V DS için I 1 W 2. C 2.( V V ). V V 1. V (1.2) 2 L D OX GS T DS DS DS Bu baıntılarda yer alan büyüklüü, kanal boyu modülasyonu parametresi olarak isimlendirilir. büyüklüü, BJT deki Early olayını modelleyen Early gerilimine benzer biçimde tanımlanan bir büyüklüktür. Bu açıdan bakıldıında, MOS tranzistor için bir Early gerilimi tanımlanması halinde kanal boyu modülasyonu parametresinin =1/V A biçiminde ifade edilebilecei açıktır. Bu parametrenin geometrik tanımı ekil-1.3 de görülmektedir. ekil-1.3. Bir NMOS tranzistorun çıkı özerileri üzerinde kanal boyu modülasyonu parametresinin geometrik tanımı.

5 1.5 Gövde-Etkisi MOS tranzistorlarda etkili olan dier bir özellik de gövde etkisidir. Bir NMOS da kaynak ile savak arasındaki n tipi kanal ile p tipi katkılı gövde bir pn jonksiyonu gibi düünülebilir. Kaynak-gövde ve savak-gövde jonksiyonlarından hiçbirinin iletim yönünde kutuplanmaması için, gövde ucu en düük potansiyele balanmalıdır. Dolayısıyla, kanal ve gövde arasındaki jonksiyon tıkama yönünde kutuplanmı olur. Tıkama yönünde kutuplanmı bir jonksiyonun iki yanında oluan fakirlemi bölge artan tıkama yönü gerilimiyle geniler. Buna göre, sabit geçit gerilimi altında akan I D akımı, gövde potansiyelinin deitirilmesiyle kontrol edilebilir. Bu olay, JFET lerde savak akımının geçit gerilimiyle kontrol edilmesine benzemekle birlikte, MOS tranzistorlar için istenmeyen bir durumdur. Zira, gövde etkisi I D akımını azaltacak yönde etki etmektedir. Akımdaki bu azalmayı dengelemek üzere, geçit gerilimini arttırmak gerekir. Bu açıdan bakıldıında, gövde etkisinin V T eik gerilimini arttırdıı söylenebilir. Eik gerilimindeki bu artma, V SB kaynak-gövde gerilimi ve C de deeri 0.5 ile 2 arasında deien, gövde katkılama oranına balı bir sabit olmak üzere V T C V (1.3) SB baıntısı ile verilmektedir. Gövde etkisinin MOS tranzistorun eik gerilimine etkisi V T V V 2 (1.4) T 0 BS 2 F F baıntısıyla verilir. Bu baıntıda büyüklüü gövde etkisi faktörü, V T0 büyüklüü V BS = 0 ikenki eik gerilimi, F de Fermi potansiyelidir. MOS küçük iaret modeli MOS tranzistorun küçük iaret modeli ekil-1.4 de görülmektedir. Analog uygulamalarda MOS tranzistorlar hemen hemen sadece doyma kullanıldıklarından, verilen model doyma bölgesi için geçerlidir. Modeldeki g m geçi iletkenlii (1.1) baıntısından türev alınarak bulunabilir. Böylece g. C W L V V (1.5) m OX GS T yahut g C W L I m 2. OX D (1.6)

6 1.6 ekil-1.4. MOS tranzistorun küçük iaret modeli g m V 2I GS D V T (1.7) olur. Bu baıntılardan yararlanılarak MOS ile bipolar tranzistorlar karılatırılabilir. Bipolar tranzistorlarda kolektör akımı belli olduktan sonra I C gm (1.8) kt q baıntısıyla mutlak olarak belirlenmi olur. MOS tranzistorlarda ise eim I D doyma bölgesi savak akımı dıında tranzistorun geometrisine, yani (W/L) oranına da balı olmaktadır. g mb iletkenlii gövde etkisini gösteren bir büyüklüktür ve gövde etkisi V BS gerilimi ile arttıından, I D /V BS eklinde ifade edilir. Bu türev alındıında b (1.9) 2 V 2 BS F olmak üzere g. g (1.10) mb b m baıntısı elde edilir.

7 1.7 Devre hesaplarında b katsayısından çok 1 b 1 b (1.11) baıntısıyla tanımlanan gövde etkisi faktörü kullanılmaktadır. Baıntının çıkartılıına daha sonra deinilecektir. r ds (yahut r o ) çıkı direnci kanal boyu modülasyonundan ileri gelmekte ve V r DS 1 ds I D V sabit. I D GS (1.12) baıntısıyla verilmektedir. r ds direncinin deeri megaohmlardan birkaç kiloohm mertebesine kadar deiebilir. C gs geçitten kaynaa ve kanalın kısılmamı kısmına ilikin kapasitedir. Bu kapasitenin deeri birim yüzey kapasitesi C OX ile geçit oksidi ile kaynak ve kanal arasında kalan alanın çarpıma balıdır ve 2 C gs WLC OX (1.13) 3 baıntısıyla tanımlanır. Bu bileenin yanısıra, C gs kapasitesinin geçitin kaynak bölgesine ilikin bindirme kapasitesi nedeniyle sabit deerli bir parazitik bileeni daha bulunmaktadır. Bu bileenin de (1.13) baıntısıyla verilen bileene eklenmesi gerekir. C gd büyüklüü, geçit ile savak arasında kalan bölgeden ileri gelen kapasitedir. Dier kapasiteler için de benzer düünceler ileri sürülebilir. Doyma bölgesinde çalımada bu kapasite geçitin savak bölgesine ilikin bindirme kapasitesinden oluur ve çok küçük deerlidir. Ancak, kuvvetlendirici devrelerinde Miller etkisi nedeniyle bu küçük deerli C gd kapasitesi en önemli kapasite olmaktadır. Edeer devrede yer alan Csb ve Cdb kapasiteleri, savak ve kaynak bölgeleri ile taban arasındaki tıkama yönünde kutuplanmı jonksiyonlara ilikin kapasitelerdir. Bu jonksiyon kapasiteleri Csbo C sb (1.14) 1/ 2 V 1 SB 0

8 1.8 Cdbo C db (1.15) 1/ 2 V 1 DB 0 eklinde tanımlanmılardır. Bu baıntılarda C sbo ve C dbo büyüklükleri ilgili jonksiyonlara ilikin sıfır kutuplama kapasiteleri, V SB kaynak taban gerilimi, V DB savak taban gerilimi, 0 büyüklüü de jonksiyonlara ilikin potansiyel seddidir. Geçit ve taban arasında yer alan C gb kapasitesi geçit malzemesi ile tabanın aktif eleman bölgesi dıında kalan kısmı arasında oluan parazitik oksit kapasitesidir. KAYNAKLAR [1] H. Kuntman, Analog tümdevre tasarımı, Birsen Yayınları, stanbul, [2] P.R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R.G. Meyer, Analysis and design of analog integrated circuits, John Wiley, [3] W. Sansen, Analog Design Essentials, Springer, [4] P.E. Allen and D.R. Holberg, CMOS analog circuit design, Oxford University Press, New York, [5] B. Rezavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Mc Graw Hill, [6] M. Steyaert, A. H.M. van Roermund, J. H. Huijsing, Analog Circuit Design RF Circuits: Wide band, Front-Ends, DAC's,Design Methodology and Verification for RF and Mixed-Signal Systems, Low Power and Low Voltage, Springer, 2006 [7] F. Riedel, MOS Analogtechnik, Oldenburg Verlag, Wien, [8] P. Antognetti, G. Massobrio, Semiconductor device modeling with SPICE, Mc Graw Hill, [9] A.B. Grebene, Bipolar and MOS analog integrated circuit design, John Wiley, [10] R. Gregorian, G.C. Temes, Analog MOS integrated circuits for signal processing, John Wiley, 1986.