Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı

2017

A 0.18 µm CMOS X-band low noise amplifier for space applications

Uzay uygulamaları için 0.18 µm CMOS X-bant düşük gürültülü kuvvetlendirici

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 465402

Tezi Bul
Özet:

Düşük gürültülü kuvvetlendiriciler alıcı sistemlerinin ilk ve en önemli bloklarından biridir. Kablosuz sistemler, haberleşme, radio astronomi ve uzay haberleşmesi gibi bir çok uygulama için tasarlanan, geniş kullanım alanına sahip RF devrelerdir. En temel amaçları alıcı girişindeki zayıf işareti olabildiğince az gürültü ekleyerek kuvvetlendirmektir. Düşük gürültülü kuvvetlendiriciler alıcı sistemlerinin ilk katı oldukları için, bütün sistemin gürültü performansını belirlemektedir. Düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin tasarımı çoğunlukla SiGe ve yüksek electron mobiliteli transistor (HEMT) teknolojileri ile yapılmaktadır. Ancak bu teknolojilerin pahalılığı, CMOS teknolojisinin daha iyi üretim tümleştirmesi ve CMOS teknolojisinin hızla küçülmesiyle performansının iyileşmesi tasarımları CMOS teknolojisine doğru yöneltmiştir. İnsanoğlu uydular, teleskoplar ve uzay araçları yardımıyla uzayı keşfetmektedir. Bu keşifler elektronik teknolojisinin güçlü desteğine ihtiyaç duymaktadır. Uzay elektroniği büyük bir geçmişe sahip olmasına rağmen, genel olarak kullanılan elektronik tasarımlar ayrık elemanlı devreler veya HEMT gibi pahalı teknolojiler ile gerçekleştirilmektedir. Uzay konusunun önemi gittikçe artmakta ve hayatımızda yaygınlaşmaktadır. Dolayısıyla uzay teknolojisinde kullanılabilecek ucuz, yaygın ve kolay üretilebilir teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Dünyanın dışı 77 K seviyelerinde sıcaklıklara düşmekte ve uzaydaki cihazlar yıldız ve gezegenlerden gelen ışınıma (radyasyon) maruz kalmaktadır. Dahası bu düşük sıcaklık ve yüksek ışınım devre performansını kuvvetli bir şekilde etkilemektedir. Bu nedenle olağanüstü ortam koşullarında çalışabilen ucuz teknolojilerin varlığı önemli bir araştırma konusudur. Bu tezin temel amacı 0.18 µm UMC CMOS Mixed-Mode/RF teknolojisini kullanarak, uzay uygulamaları için 7 GHz X bandında çalışacak bir düşük gürültülü kuvvetlendiricinin tasarlanmasıdır. Bu düşük gürültülü kuvvetlendirici kriyojenik sıcaklıklarda ve ışınım altında test edilmek için tasarlanmıştır ve halen üretim aşamasındadır. Tez kapsamında verilen tüm sonuçlar Cadence ve ADS programlarının serim sonrası benzetim sonuçlarına dayanmaktadır. Tez kapsamında öncelikle tasarım elemanlarının düşük sıcaklıkta ve ışınım altında performansı literatür araştırması yapılarak incelenmiştir. Bunun için yüksek frekanslı devre tasarımında geniş kullanım alanları bulunan heterojonksiyon bipolar transistör (heterojunction bipolar transistor, HBT), yüksek electron mobiliteli transistör (high electron mobility transistor, HEMT) ve metal oksit yarıiletken (metal oxide semiconductor, MOS) transistörlerin düşük sıcaklıklarda ve yüksek ışınım altındaki davranışları incelenmiştir. Daha sonra literatürde bu elemanlar kullanılarak tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin yine aynı koşullarda (düşük sıcaklık ve yüksek ışınım) performans farklılıklarına bakılmıştır. Tez kapsamında MOS teknolojisi kullanılmasına karar verilmiş, ayrıca tezin dahil olduğu proje kapsamında yapılan bir üretim sonucunda oda sıcaklığında ve kriyojenik sıcaklıklarda n-kanallı metal oksit yarıiletken (NMOS) transistor ölçümü yapılmıştır. Literatür araştırması MOS transistörlerin eşik geriliminin (VTH) sıcaklık düştükçe yükseldiğini ancak taşıyıcıların hareket yeteneğinin arttığını, sonuç olarak savak akımının arttığını göstermektedir. Ayrıca tez kapsamında yapılan ölçümlerle NMOS transistor eşik gerilimi ve savak akımı artışı literatür araştırmasını doğrulayacak şekilde elde edilmiştir. Tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin ise besleme gerilim ve akımlarının düşük sıcaklıklara göre ayarlanması sonucunda gerilim kazancının (S21) arttığını, gürültü faktörünün (NF) ise düştüğü bir çok makale ile gösterilmiştir. Ancak düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımları genellikle HBT ve HEMT elemanlarla yapılmış olup, henüz literatürde MOS elemanlarla tasarlanmış bir düşük gürültülü kuvvetlendiricinin gürültü faktörü ölçümü yapılmadığı görülmüştür. Işınım testleri için toplam iyonlaştırma dozu (total ionization dose, TID), tekil olay etkisi (single event effect, SEE) gibi farklı testler yapılmaktadır. Düşük gürültülü kuvvetlendiriciler için asıl etkili olan ve uzay şartlarında dayanıklı olunması gerekli olan ışınım çeşidi toplam iyonlaştırma dozudur. Işınım altında ölçümler tez kapsamında yapılmamış olup, toplam iyonlaştırma dozu altında eleman ve düşük gürültülü kuvvetlendirici performansı ile alakalı literatür araştırması yapılmıştır. Çeşitli elemanların ve düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin çeşitli ışınım düzeylerine dayanıklılıkları gözlenmiştir. Sonuç olarak tez kapsamında tasarlanan 7 GHz bütünleyici metal oksit yarıiletken (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) düşük gürültülü kuvvetlendiricinin bir düzeye kadar ışınıma dayanıklı olması beklenmektedir. Düşük gürültülü kuvvetlendiricinin ışınıma dayanabildiği doz düzeyinin yükseltilmesi ise gelecek çalışmalar için hedeflenmektedir. Anlatılan uygulama için endüktif dejenerasyonlu klasik kaskod topolojisi kullanılmıştır. Kararlılık ve salınım (osilasyon) sorunları ile karşılaşmamak için tek katlı yapı ile teknik isterlerin sağlanması amaçlanmıştır. Çıkıştan girişe yansımaların en düşük düzeye indirilmesi için kaskod topoloji en yaygın kullanılan düşük gürültülü kuvvetlendirici yapısıdır. Endüktif dejenerasyon ise hem gürültü hem giriş empedansı eşleştirmesinin aynı anda yapılması için en uygun topolojidir. Emetördeki endüktör ile giriş empedansı ayarlanırken, baza seri olarak gelen endüktör hem giriş empedansının imajiner kısmının hem de gürültü eşleştirmesinin ayarlanmasında kullanılmaktadır. Ek olarak giriş empedans eşleştirmesi ve kazancın iyileştirilmesi için kutuplama endüktörü kullanılmıştır. Bu endüktör küçük işaret eşdeğerinde girişe parallel gelip, girişten görülen empedans değerinin arttırılmasında kullanılmış böylece dejenerasyon endüktansının daha küçük seçilebilmesine imkan tanımıştır. Dejenerasyon endüktansının değeri küçüldükçe gerilim kazancı artmaktadır. Böylelikle tek katta daha yüksek kazanç elde edilmiştir. Aynı zamanda girişe parallel gelen bu kutuplama endüktörü sayesinde girişe seri gelen baz endüktörünün değeri de küçültülmüştür. Girişe seri gelen baz endüktörünün seri direnci de gürültüye sebep olduğundan bu endüktörün değerinin küçültülmesi gürültü faktörünün azalmasını sağlamıştır. Çıkış empedansı eşleştirmesi bir direnç, bir endüktör ve bir kapasite elemanı ile yapılmıştır. Endüktör ve kapasitenin rezonans frekansı devrenin çalışma frekansı olarak seçilmiştir. Teknoloji sarmal (spiral) endüktörlere izin vermediğinden ve sarmala en yakın endüktörlerin kalite faktörünün daha iyi olduğu bilindiğinden, sekizgen endüktörlerin tasarımı yapılmıştır. Kalite faktörünün yüksek olması düşük gürültüye ulaşmakta kritik bir faktördür. Literatür araştırması özellikle düşük sıcaklıklarda düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin kutuplama gerilim ve akımlarının değiştirilmesi ihtiyacını göstermektedir. Düşük gürültülü kuvvetlendiricinin kriyojenik ortamlara ve ışınıma uyum sağlayabilmesi için, kutuplama gerilimleri direkt olarak bağlantı ayaklarından (padlerden) alınmaktadır. Tasarlanan CMOS düşük gürültülü kuvvetlendirici 25 mW güç tüketirken, 15 dB'den yüksek gerilim kazancı ve 2.6 dB gürültü faktörü sağlamaktadır. Giriş ve çıkış empedansları, giriş ve çıkış yansıma katsayıları (sırasıyla S11 ve S22) –10 dB'den küçük olacak şekilde eşleştirilmiştir. Düşük gürültülü kuvvetlendiricinin kararlılık benzetimi yapılmış ve tüm frekanslarda K kararlılık kriterinin birden büyük olması sağlanmıştır. Düşük gürültülü kuvvetlendiricinin doğrusallığı (lineerlik) üçüncü dereceden kesişim noktası (third-order intercept point, IP3) benzetimi ile gözlenmiştir. Girişte üçüncü dereceden kesişim noktası (input third-order intercept point, IIP3) –2.24 dBm olarak ölçülmüştür.

Summary:

Low noise amplifiers are the first and one of the most important stages of receiver systems. They are RF circuits which are widely used in many applications such as wireless systems, radio astronomy, space communications etc. Their main purpose is to amplify the weak signal at the input of the receiver by adding as little noise as possible. Since, LNAs constitute the first stage of receivers, they dominate the overall noise performance of the system. Low noise amplifier designs are mostly done using SiGe and HEMT technologies. However, low cost and better process integration of CMOS technology along with its rapidly increasing performance metrics has made it a significant contender. Mankind is exploring the space by satellites, telescopes and space crafts. These expeditions need strong support of electronics technology. Space electronics has evolved considerably over the years, however designs accomplished mostly depend on discrete elements and expensive technologies such as High Electronic Mobility Transistor (HEMT). As the space technology should get more important and prevalent in the foreseeable future, related applications require cheap, wide-spread and easily (re)producible technologies. Temperature in the outer world can get as low as 77 K and objects in space are under high radiation doses emitted by the stars and planets. Low temperature and high radiation affect the circuit performance drastically. Thus, developing designs for these extreme environments with cheap technologies is an important research problem. The main goal of this thesis is to design a 7 GHz X-band low noise amplifier for space applications using 0.18 µm UMC CMOS Mixed-Mode/RF technology. This LNA is designed for being tested at temperatures below 100 K (also called cryogenic temperatures) and radiation. Designed LNA is still at the production stage and has not been measured yet. All the results in this thesis are post-layout simulation results from Cadence and ADS tools. The classical cascode topology with inductive degeneration is used in this design. An additional bias inductance is employed to help in input impedance matching. Bias of the LNA is designated to be directly applied to the pads so that they can be changed during measurements to comply with cryogenic temperatures and radiation. Designed CMOS LNA achieves a voltage gain higher than 15 dB, 2.6 dB noise figure, –2.24 dBm IIP3 while consuming 25 mW of power.