Analog ve Dijital Tümdevre Tasarımı. Arş. Gör. Özcan TUNÇTÜRK

Analog ve Dijital Tümdevre Tasarımı Arş. Gör. Özcan TUNÇTÜRK 1

İçerik Analog ve Dijital Tümdevre Tasarımı nedir? CMOS Teknolojisi nedir? Transistor Üretim Aşamaları IC Tasarım Aşamaları Mikroelektronik vs Elektronik Tasarım Analog vs Dijital Analog ve Sayısal Tümdevre Blokları ve İşlevleri 2

Analog Tümdevre Tasarımı? Entegre devre tasarımı veya IC tasarımı, IC leri tasarlamak için gereken belirli mantık ve devre tasarım tekniklerini kapsayan, elektronik mühendisliğinin bir alt kümesidir. IC ler fotolitografiyle monolitik yarı iletken alt-tabaka üzerinde bir elektrik ağı içine yerleştirilmiş minyatür elektronik bileşenlerden oluşur. Analog tasarım yarı iletken aygıtların fiziği ile daha fazla ilgilidir. Analog sinyal yükseltme ve filtrelemenin doğruluğu genellikle kritiktir. Dijital tasarımlara göredaha büyük bir alan etkin cihazları kullanır ve devrede daha az yoğun olurlar. 3

Digital Tümdevre Tasarımı? Sayısal tasarım, mantıksal doğruluğa, devre yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmaya ve devreleri saat ve zamanlama sinyallerinin verimli bir şekilde yönlendirileceği şekilde yerleştirmeye odaklanmaktadır. Dijital IC tasarımı, mikroişlemciler, FPGA ler, bellekler (RAM, ROM, flaş) ve dijital ASIC ler gibi bileşenleri üretmektedir. Dijital tasarımda genellikle güç tüketimi, alan ve hız arasında bir denge kurulmaya çalışılır. Dijital devrelerin tasarımında donanım tanımlama dilleri kullanılarak (HDL) otomasyon mümkündür. Dijital devre tasarımında HDL kullanımı tasarım sürecini hızlandırırken devre tasarım becerisini köreltir. 4

CMOS Teknolojisi CMOS (Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) bir tümdevre üretim teknolojisidir. NMOS ve PMOS transistörlerin aynı tümdevre üzerinde gerçeklenmesine olanak tanır. Metal oksit yarı iletken ifadesi bir yarı iletken mazlemenin üstünde bir oksit yalıtkanının üzerine yerleştirilen bir metal geçit elektroduna sahip olan belirli alan etkili transistörlerin fiziksel yapısına bir referanstır. 5

CMOS Teknolojisi CMOS aygıtların iki önemli özelliği düşük statik güç tüketimi ve yüksek gürültü bağışıklığıdır. Gerilimin VDD den 0V a düştüğü veya 0V tan VDD ye yükseldiği kısa bir süre dışında, PMOS ve NMOS transitörlerinin seri bağlantısındaki transistörlerden biri kapalıdır ve besleme kaynağından akım çekilmez. Bir CMOS devresinin güç tüketimi DC koşullarında sıfır olup, uygulanan sinyalin frekansıyla birlikte devre daha sık anahtarlama yaptığından bu tüketim artar. Düşük güçlü entegrelerin büyük çoğunluğu CMOS ile yapılmıştır. CMOS ayrıca yüksek yoğunluklu mantık fonksiyonlarına izin verdiğinden VLSI çiplerinde en çok kullanılan teknoloji haline geldi. 6

Moore s Law 7

Moore s Law 8

Moore s Law 9

More Moore 10

More Moore 11

More Than Moore 12

More Than Moore 13

Transistör Üretim Aşamaları İlk olarak, kuru bir ortamda ince bir oksit tabakası oluşturulmaktadır (dry ambient). Daha sonra LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) ile ince bir Si3N4 (Silicon Nitride) katmanı oluşturulur. 14

Transistör Üretim Aşamaları PR i (photo-resist) döndürün ve fırında pişirin, PR yi aktif maskeden UV ışığına maruz bırakın. 15

Transistör Üretim Aşamaları PR i (photo-resist) sertleşmesi için 120 C de fırında pişirin. 16

Transistör Üretim Aşamaları RIE (Reactive Ion Etching) ile üstteki nitride ı kaldırın. Sonra silicon oxide ı RIE de veya BHF (Buffered Hydrofluoric Acid) kullanarak wet etchant ı ile etch edin 17

Transistör Üretim Aşamaları PR ı çıkartın. Kalın bir alan oksitlenmesi yapmak için (wet oxidation) plakayı temizleyin ve yüksek sıcaklıktaki bir fırına yerleştirin. 18

Transistör Üretim Aşamaları Kalan alan bölgelerinde kalın bir oksit filmi elde etmek için LOCOS (Local Oxidation of Silicon) uygulayın. 19

Transistör Üretim Aşamaları Şimdi, nitratı sıcak bir fosforik asit banyosunda soyun. Sonra, alttaki ince oksiti bir BHF (Buffered Hydrofluoric Acid) ile çıkartın. 20

Transistör Üretim Aşamaları Plakayı temizleyin ve daha sonra transistör için gate oxide diye adlandırılan ince bir oksit tabakasını büyütün. 21

Transistör Üretim Aşamaları LPCVD poli-si tabakasını biriktirin ve iki aşamalı bir difüzyon işlemi vasıtasıyla polisilikonu fosforla dope edin. 22

Transistör Üretim Aşamaları PR ı döküp döndürün ve fırında pişirin. Ardından, gate kapısını oluşturmak için geçit maskesiyle PR ı gate bölümünde bırakacak şekilde diğer tarafları UV ışınlarına maruz bırakın 23

Transistör Üretim Aşamaları PR ın sertleşmesi için fırında pişirin 24

Transistör Üretim Aşamaları RIE kullanarak poli-si yi etch et, ince silikon dioksit tabakası kalacak şekilde durdurun. 25

Transistör Üretim Aşamaları Source ve drain bölgelerine kalın alan oksitini ve PR/poly-Si maskesini kullanarak Ion implant edin. İyon implantasyon aşaması, kaynak ve drain alanlarındaki ince oksit bölümünden de geçer. 26

Transistör Üretim Aşamaları PR ı kaldır ve plakayı temizle. Kaynak ve drain alanlarını oluşturmak için implante edilen yabancı maddeleri içeri sür, bu aşamada Poly-Si nun üstünde ince bir oksit tabakası oluşur. 27

Transistör Üretim Aşamaları Gate, drain ve source bölgelerini izole etmek için LPCVD kullanarak ilave oksit ekleyin. 28

Transistör Üretim Aşamaları PR döküp, döndürün ve fırında pişirin. Kontak deliklerini açmak için maskeden geçirin. 29

Transistör Üretim Aşamaları PR yi maske olarak kullanın ve silisyum ve poli-si bölgeleri açığa çıkıncaya kadar BHF de (veya RIE de) alttaki oksiti etch edin 31

Transistör Üretim Aşamaları PR yi kaldır ve metalizasyon için ince Alüminyum tabakası deposit edin. 32

Transistör Üretim Aşamaları PR yi döküp döndürün ve fırında pişirin (soft bake). Metalizasyon maskesine maruz bırakın. 33

Transistör Üretim Aşamaları PR ı maske olarak kullanarak, kuru veya wet etchant ile Al u etch edin. 35

Transistör Üretim Aşamaları PR ı kaldırın ve plakayı temizleyin. İyi elektrik temasları oluşturmak için kontak temasları Hidrojen ve Azot karışımı ile sertleştirin. 36

Transistör Üretim Aşamaları 3D view of the final device structure. 37

Transistör Üretim Aşamaları Layout Masks for a MOS Transistor 38

IC Tasarım Aşamaları 39

IC Tasarım Aşamaları 40

Dijital IC Design Aşamaları 41

ASIC Design Aşamaları 42

Floor Planning 43

Mikroelektronik vs Elektronik Tasarım Good Küçük boyutlu ve yüksek yoğunluklu Kompleks sistemler Yüksek hızlı çalışma Düşük güç tüketimi Heterojen SoC (A/D/RF/MEMS/Power) Düşük Üretim Maliyetleri Bad Düşük kontrol edilebilirlik Teknoloji değişkenliği (işlem ve uyuşmazlık) Karmaşık modelleme Yüksek tasarım maliyetleri (EDA/personel) Yüksek prototipleme maliyeti Uzun tasarım döngüleri 44

Mikroelektronik vs Elektronik Tasarım 45

Mikroelektronik vs Elektronik Tasarım 46

Tümdevre Teknolojisi Seçimi 47

Analog vs Dijital If it can be done by digital, don t use analog! Analog IC design is complex Backgroundin physics, electronics, information and control theory, signal processing, communications Variety of state-of-the-art solutions High dependence from technology Modelling skills Complex EDA tools 48

Analog vs Dijital Sayısal Entegre Devreler, sadece birkaç farklı durumdaki transistör durumlarıyla ilgilenir. Günümüzde Dijital Entegre Devreler milyarlarca transistörlerden oluşur ve çok büyük ölçekli bütünlük sağlar (VLSI). Dijital sistemler ağırlıklı olarak: Mantıksal doğruluk Devre yoğunluğunu maximize etme Devrelerin, saat ve zamanlama sinyallerinin etkin bir şekilde yönlendirilebileceği şekilde yerleştirilmesine odaklanır. 49

Transistör sayısına bakıldığında, analog devrelerde çok daha az eleman kullanılırken, tasarım neden daha uzun sürüyor? Analog tümdevre tasarımında performans kriterleri çok fazla (hız, güç tüketimi, kazanç, doğruluk, besleme gerilimi, gürültü, kararlılık, CMRR, PSRR, vb.)... Digital tasarımda ise güç tüketimi, alan ve hız arasında bir denge kurulmaya çalışılır. Analog devrelerin performansı ikincil etkilerden (parazitikler) belirgin biçimde etkilenirken, digital devrelerde bunların etkisi gözardı edilebilir. Modelleme yetersizse analog devrelerin çalışmama olasılığı dijital devrelere göre daha fazladır. Analog devrelerde, eleman eşleşmesini artırmak, parazitikleri azaltmak için her bir elemanın layoutu özenle çizilirken, dijital devrelerin tasarımında otomasyon daha mümkündür. 50

Analog ve Sayısal Tümdevre Blokları 51

Bir haberleşme sisteminde blokların görevi? 52

Bir telefonun iç yapısı? 53

Analog Tümdevre Blokları ADC Sürekli-genlikli ve sürekli zamanlı sinyalden ayrık genlikli ve ayrık zamanlı sinyal elde etme fonksiyonunu gerçekleştiren bloklardır. Bir ADC tarafından dijitalleştirilecek analog sinyaller normalde bir sinyal (ses, basınç, ışık, radyo dalgaları vb.) yakalayan sensörlerden veya dönüştürücülerden gelir ve bu sinyalin amplitüdüyle orantılı bir voltaja dönüştürür. Sensör tarafından üretilen voltajı dijital eşdeğerine dönüştürmek için gereken işlem ADC tarafından iki aşamalı bir işlem olarak gerçekleştirilir. Analogtan dijitale dönüştürme işleminde kullanılan önemli bloklardan bazıları anti-aliasing filtresi, sampler ve quantizerdır. 54

A/D dönüşümünde kullanılan bloklar Anti-aliasing filter: Sinyal örnekleyicisinin önünde bulunan ver örnekleme teoremini yerine getirmek amacıyla ilgili bant aralığı için sinyalin bant genişliğini örnekleme frekansının yarısı olacak şekilde sınırlayan bir tür filtredir. Sampler: Sürekli zamanlı sinyalin kesikli zaman aralıklarında örnekleri alınarak ayrık zamanlı sinyale dönüştürülmesidir. x(t) örnekleyiciye giriş sinyali ise çıkış sinyali x(nt) dir. T is örnekleme aralığıdır. Quantizer: Ayrık zamanlı sürekli değerli sinyalin ayrık zamanlı ayrık değerli sinyale (dijital) dönüştürülmesidir. Her bir sinyal örneğinin değeri, olası değerlerin sonlu bir kümesinden seçilen bir değer ile temsil edilir. Quantalanmamış örnek ile quantizerın çıktısı arasındaki fark quantalama hatası olarak ifade edilir. 55

Standart bir akıllı telefonda kullanılan ADC ler 56

Types of ADCs Flash Pipelined Successive-Approximations Register (SAR) Integrating or Dual-slope Sigma Delta (Σ ) 57

Flash ADC Flash dönüştürücüler referans gerilimini 2 eşit parçalara bölecek direnç merdiveni kullanırlar. Her bir parça için giriş sinyalini direnç merdiveninin ilgili kısmındaki gerilim ile karşılaştıracak comparator kullanılır. Tüm karşılaştırıcıların çıktısı bir termometre gibidir: giriş değeri ne kadar yüksekse, karşılaştırıcıların çıkışları da alttan üste yükselir. Priority Encoder denilen özel bir bileşen bu göstergeyi alttan yukarıya doğru sayarak, yüksek çıktılı son karşılaştırıcının konumuna karşılık gelen bir ikili koda çevirir. Advantages: Çok hızlı Disadvantages: Alan çok büyümektedir (8-bit ADC için 255 comparator gerekir), düşük çözünürlüklüdür, güç tüketimi fazladır ve pahalıya mal olur. 58

Flash ADC 59

Pipelined ADC (Boru Hatlı Dönüştürücüler) Boru hatlı dönüştürücüler, girişi bit sayısıyla orantılı olarak birkaç adımda dönüştürürler. Her adımda giriş sinyali referans değerinin yarısı ile karşılaştırılır. Eğer daha yüksekse referans sinyalinin yarısı girdiden çıkarılır ve bu adıma karşılık gelen bit 1 dir. Aksi taktirde 0 dır. Her iki durumda da, kalan değer iki katına çıkarılır ve bir sonraki aşamaya geçilir. Her aşamada bir bit işlenir, bu nedenle döngünün her aşaması için girişe yeni bir değer eklenebilir. Advantages: Kademe sayısı ancak bit sayısı ile artar ve hızlıdır Disadvantages: Herhangi bir analog değerin ikili gösterimini çıktılamak için N çevrim gerekir. Kademelerin arasında sinyal iki katına çıkarılırken veya çıkarma yapılırken oluşan hata bir sonraki adıma aktarılır. 60

Pipelined ADC 61

Successive-Approximations Register (SAR) SAR ADC her seferinde en önemli bitten başlanarak en önemsiz bite kadar her bit değerlendirir. Ardından, bir dijital-analog dönüştürücünün (DAC) çıkışına giriş voltajına yaklaşırlar. DAC girişi, ADC nin çıktısı olan N bitlik bir kayıtta saklanır. Öncelikle analog sinyal örneklenir ve sabit tutulur. Dönüştürme işlemi sırasında giriş değeri değiştirilirse, sonuç tamamen yanlış olabilir. Sonra register daki N-1 inci (MSB) bit e 1, diğerlerine 0 atanır. DAC in referans voltajı Vref olduğundan DAC in çıkışı Vref/2 olur. Karşılaştırıcının çıkışı MSB ye kilitlenir, eğer Vin < Vref/2 is MSB 0 a resetlenir, yoksa 1 olarak kalır. Sonraki biti 1 olarak ayarlayarak, DAC çıkışını girişi voltajıyla karşılaştırarak ve sonucu aynı bitte tutarak, dönüştürücü, giriş değerine ardışık olarak yaklaşan kayıttan bir sinyal üretir. Advantages: yüksek hız kapasitesi, diğer ADC çeşitlerine kıyasla orta doğrulukta, hız ve maliyet arasında iyi bir denge Disadvantages: yüksek çözünürlükteki SAR ADC leri daha yavaş çalışır 62

Successive-Approximations Register (SAR) 63

Sigma-Delta ADC Sigma-delta dönüştürücü, sinyali Nyquist frekansından daha yüksek bir frekansta örnekler, bu nedenle oversampling dönüştürücüler olarak adlandırılırlar. Vref veya 0 olabilen bir referans sinyali ile input sinyali arasındaki hatayi integrate ederek input sinyalini dönüştürmeye çalışır. Integrator ün çıkışı 0 ile karşılaştırılır ve comparatör ün çıkışı örneklenir ve sonraki döngüde DAC in çıkışı Vref veya 0 a ayarlanır. Bu işlem defalarca tekrarlanır ve ikinci karşılaştırıcıdan çıkan 1 ve 0 lar giriş değerinin ortalamasına getirilir. Bu bit akışını binary koda dönüştürmek için decimation filter kullanılır. Advantages: Yüksek çözünürlük, hassas harici bir bileşen gerekmez Disadvantages: Fazla örneklemeden dolayı yavaştır. 64

Sigma-Delta ADC Integrator V in + - Σ Digital low-pass filter Sample decimator Oversampler 1-bit DAC +- Serial output 65

Second Order Sigma-Delta ADC 66

Sigma-Delta ADC Input and Output 67

D/A Dönüştürücüler Dijital-Analog dönüştürücü (DAC), dijital sayıları (binary) analog voltaja veya akım çıkışına dönüştüren bir cihazdır. 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 DAC 68

D/A Dönüştürücüler Analog Output Signal 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 Digital Input Signal 1001 1010 1011 69

D/A Dönüştürücü Çeşitleri Direnç tabanlı mimariler Kelvin Bölücü R-2R direnç merdiveni DAC Capacitor tabanlı mimariler N-bit capacitor bölücü Kapasitif MDAC Akım kaynağı tabanlı mimariler 70

Direnç Tabanlı Mimariler Kelvin Bölücü 71

Direnç Tabanlı Mimariler R-2R Direnç Merdiveni DAC 72

N-bit Kapasitif Bölücü 73

Kapasitif MDAC 74

Akım Kaynağı Tabanlı Mimariler 75

Diğer Analog IC Blokları Bandgap Reference: Entegre devrelerde yaygın olarak kullanılan sıcaklıktan bağımsız gerilim referans devresidir. Güç kaynağının değişimlerine, sıcaklık değişimlerine ve yükteki değişimlere bakılmaksızın sabit bir gerilim üretir. Bant gerilim referansının prensibi, bir pn jonksiyonunun negatif sıcaklık katsayısını termal voltajın pozitif sıcaklık katsayısı ile dengelemektir (PTAT vs CTAT). VBE nin VT ye göre türevi -1.826 mv/ C olarak bulunmuştur. Bu negatif bağımlılık pozitife bağlı PTAT voltaj üreteci kullanılarak iptal edilebilir. 76

Phase-Locked Loops Faz kilitlemeli döngü (PLL) çıkış fazı ile giriş fazını karşılaştıran bir geri besleme sistemidir. En basit haliyle değişken frekans osilatöründen, geri besleme döngüsünden ve faz dedektöründen oluşur. Karşılaştırma faz dedektörü ile yapılır (PD). Oscilatör periodic bir sinyal üretir ve PD bu sinyali input ile karşılaştırır ve fazları eşleştirmek için osilatörü ayarlamaya çalışır. Senkronize edici sinyallere ek olarak faz kilitlemeli döngü giriş frekansını izleyebilir veya giriş frekansının çarpımı olan bir frekans üretebilir. Uygulama alanları olarak clock senkronizasyonu, demodülasyon ve frekans sentezi için kullanılabilir. 77

Diğer Analog IC Blokları VCO: Salınım frekansı bir voltaj girişi ile kontrol edilebilen bir elektronik osilatördür. Frekans veya faz modülasyonu (FM or PM) için girişe modülasyonlu sinyal uygulanarak kullanılabilir. Fonksiyon jeneratörleri, frekans sentezleyiciler ve PLL lerde kullanılır. LNA: Düşük gürültülü amlifikatör, sinyal-gürültü oranını (SNR) önemli derecede bozmadan çok düşük güçte bir sinyali güçlendiren bir elektronik yükselticidir. Yükselticiler girişteki hem sinyalin hem de gürültünün gücünü artırır, ancak LNA ler ilave gürültüyü en aza indirgemek üzere tasarlanırlar. Tasarımcılar, empedans uyumu, teknoloji seçimi, düşük gürültülü ön besleme koşullarını göz önünde bulundururlar. 78

Power Amplifiers (PA) Güç amplifikatörleri radyo frekansı vericisinin bir parçasıdır ve bir antene iletilen sinyali yükseltmek için kullanılır, böylece istenen mesafede alınabilir. Sayısal ve analog bilgiler düşük frekansta işlenir ve bir modülasyon ile kombine edilmiş uygun bir sinüs biçimine dönüştürülür. 79

Mixer İdeal karıştırıcı genellikle bir çarpan sembolüyle gösterilir. Karıştırıcı, uygulanan iki sinyalden yeni sinyaller üreten doğrusal olmayan bir elektrik devresidir Gerçek bir karıştırıcı rasgele girişlerle çalıştırılamaz. Bunun yerine LO portuna sabit genlikli bir local osilatör bağlıdır. Aşağı dönüştürme karıştırıcısında diğer port RF sinyaline bağlıdır ve çıkış olarak IF (intermediate frequency) alınır. Yukarı dönüştürme karıştırıcısında da giriş portu IF iken çıkış RF sinyalidir 80

Dijital Tümdevre Blokları Dijital IC tasarımı, mikrokontrolcüler, mikroişlemciler, FPGA ler, bellekler (RAM, SRAM, DRAM, ROM, flaş), SoC, MPSoC ve dijital ASIC ler gibi bileşenleri üretmektedir. 81

Mikroişlemci vs ASIC 82

Mikroişlemci Nasıl Çalışır? İlk olarak, bir talimat (instruction) mikroişlemciye gelir Talimat yürütülmek üzere çözülür Sonra talimat yürütülür 83

RISC Mikroişlemcisi Baseline RISC Architecture 84

İdeal Donanım 85

FPGA 86

FPGA 87

FPGA 88