Tez Arşivi

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


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

A cryogenic cmos low dropout regulator design for space applications

Uzay uygulamaları için kriyojenik cmos alçak gerilim düşümlü regülatör tasarımı

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 595300 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Malzemelerin son derece düşük sıcaklıklardaki özellikleri, fizik dilinde malzemenin kriyojenik davranışı olarak tanımlanmaktadır. Kriyojenik sıcaklık bölgesinin başladığı yer belli bir nokta olmamasına rağmen, 93K altındaki bölge, ideal gazların kaynama noktasından itibaren NIST (ABD Ulusal Standartlar ve Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) tarafından kriyojenik bölge olarak kabul edilmektedir. İdeal gazlar ise kaynama noktası -150OC altında olan gazlar olarak kabul edilmektedir. Kriyojenik uygulamaların geçmişi, 1877'de sıvı oksijenin elde edildiği zamanlara dayanmaktadır. Daha sonraki gelişmeler, ileri soğutma sistemlerinin, helyumun sıvılaştırılmasını ve süper iletken malzemelerin elde edilmesini sağlamıştır. Kriyojenik işlemin uygulamaları çoğunlukla sıvı azot ve sıvı helyum gibi sıvılaştırılmış gazlar ile yapılır. İlki, tüm dünyada en sık kullanılan ve erişilebilir olanı iken, ikincisi, ulaşılabilecek en düşük sıcaklık seviyesini sağlar. İnsanlık, mevcut teknolojinin sınırlarını aşmaya ve daha fazla dayanıklılık, sürdürülebilirlik ve verimlilik için tasarımları iyileştirmeye çalışırken; kriyojenik uygulamalar, bazen uzay ve askeri uygulamalar gibi ilgili işlerin doğası gereği ve bazen de kriyojenik işlemin kuantum hesaplama ve radyo frekansı teknolojilerinde olduğu gibi normal operasyona göre avantajları nedeniyle teknoloji tasarımcıları tarafından tercih edilmektedir. Kriyojenik işlem, uzay görevleri veya kuantum hesaplama gibi uygulamalarda zorunludur, ancak zorlukları vardır. Genel olarak, normal çalışma koşullarında tasarlanan herhangi bir sistem, kriyojenik seviyelerdeki nominal performanslarından sapabilir. Bu nedenle, bu kriyojenik sistemlerin simülasyonunun ilgili düzeltmesi sistemin tasarım aşamasında yapılmalıdır. Günümüz teknolojisinde başı çeken sektörlerden biri olan elektronik her geçen gün hızla gelişmektedir. Elektronik devreler, biyomedikal uygulamalardan akıllı ev sistemlerine, taşınabilir küçük cihazlardan endüstriyel birçok alana kadar dijitalleşen dünyanın her köşesinde kendine yer bulmaktadır. İnsanların teknolojiye erişiminin kolaylaşması ve teknolojiyle etkileşim kanallarının artmasının doğal sonucu olarak teknoloji yaşamımızın ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Bu yüzdendir ki insanların teknolojiden beklentileri de bir yandan artmakta, mühendisler ve endüstri de bu beklentiye cevap vermeye çalışmaktadır. Elektronik cihazlar VLSI (Very Large Scale Integration - Çok Geniş Ölçekli Tümleştirme) teknolojisinin gelişmesiyle önceleri hayal dahi edilemeyecek boyutlara küçülmüştür. Bu küçülmenin bir getirisi olarak cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, tabletler, akıllı saatler gibi birçok ürün geliştirilmiştir. İnsanoğlu teknolojinin sınırlarını zorlayıp, her zaman daha gelişmiş sistemler tasarlamaya çalıştıkça karşısında aşılması gereken yeni zorluklar bulmaktadır. Kriyojenik teknolojileri, özellikle mikroelektronik alanında, uzay ve kuantum hesaplama uygulamalarına artan ilgi ile elektronik alanında önemli bir yer tutmaktadır. Mikroelektronik teknolojisi, sıcaklık gibi çevresel koşullarla özellikleri değişebilen yarı iletken malzeme yapısının manipüle edilmesi üzerine inşa edilmiştir. Bu nedenle, kriyojenik bölgelerde güvenilir entegre tasarımlar için, CMOS teknolojisinin temel elemanı olan MOSFET'ler düşük sıcaklıktaki işlemler için dikkatle yeniden modellenmelidir. Modelleme, yarı iletken cihazın denklemlerini ve parametrelerini, daha kesin sonuçlar elde etmek için simülasyon aracına entegre etme amaçlı belirleme işlemidir. Cihazın aynı performansının kriyojenik bölgede de elde edildiğine dair bir güvence bulunmamakta ve MIL-STD-883'te çalışma sıcaklığının çalışma kapsamı -55 ila 125OC olarak tespit edilmekte olup, CMOS cihazlarının kriyojenik özelliklerinin elde edilmesine yönelik mühendislik çalışmaları yeterli olmamaktadır. Kriyojenik işlemlere uygun yeni modellere duyulan ihtiyaç, özellikle dijital alandaki kuantum hesaplamalarında, literatürdeki farklı çalışmaları doğurmaktadır. Kriyojenik modeller geliştirmek için yapılan çalışmaların çoğu, BSIM3 parametrelerinin ayarlanması ve manipüle edilmesine dayanır. Bu çalışmada kullanılan model, normal çalışma bölgesinde çıkarılan model parametrelerini BSIM3 denklemleri ve parametreleri ile oynayarak ayarlayabilen bir algoritma kullanarak elde edilen bir modeldir. Bu konuda ortaya çıkan en büyük problemlerden biri ise bu cihazların harcadığı enerjinin kaynağı olan bataryalardır. Uzun ömürlü gelişmiş bataryalara sahip olmanın yanında cihazdaki bu enerjinin verimli bir şekilde kullanılması önem arz etmektedir. Bir elektronik sistemin içinde birçok farklı karmaşık görevi yapan devreler bulunabilir ve bu devreler farklı gerilim seviyelerinde çalışıyor olabilirler. Bataryaların gerilim seviyeleri ise tam şarjlı durumlarından boş durumlarına kadar azalarak değişir. Fakat bataryaların son anına kadar elektronik sistemlerin işlevlerini doğru bir şekilde gerçekleştirmeleri için bataryanın bir kullanım döngüsü boyunca sabit gerilim üreten devreler gerekmektedir. Bu devreler tümleşik sistemlerde güç yönetim devrelerinin vazgeçilmezi olan gerilim regülatörleridir. Bir gerilim regülatörü çeşidi olarak alçak gerilim düşümlü regülatörler (Low Drop Out Regulator – LDO Regulator) geliştirilmiştir. Bu türün standart lineer regülatörlerden farkı giriş ve çıkış gerilim farkı çok düşük seviyelere gelene kadar regülasyon yapabilme yeteneğidir. Düşüm gerilimi (Drop Out Voltage) giriş ile çıkış arasında regülasyona izin veren minimum gerilim farkı olarak tanımlanır. Uzaydaki sistemlerde de kısıtlı güç kaynağı olması yönünden bataryalara ve yine aynı sebeplerden dolayı gerilim regülatörlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun yanı sıra uzay uygulamalarında sıcaklık kriyojenik (çok düşük sıcaklık) seviyelerde olduğu için elektronik tasarıma bir parametre daha dahil olmaktadır. Bu yüzden uzayda çalışacak elektronik devrelerin 70 K'ye kadar çalışabilmesi beklenmektedir. Bu çalışmada kriyojenik seviye sıcaklıklarda çalışabilecek düşük gerilim düşümlü gerilim regülatörü 0.18μm UMC CMOS proses ile kriyojenik transistör modelleri kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanan LDO regülatör 100mA yük akımı sağlarken dijital olarak ayarlanabilen dört farklı gerilim seviyesinde(0.9V, 1.2V, 1.5V, 1.8V) çıkış verebilmektedir. 0.9V, 1.2V, 1.5V ve 1.8V çıkış gerilim seviyelerinde sırasıyla 92mV, 80mV, 66mV ve 77mV gerilim düşümü(dropout) göstermektedir. Bu çıkış gerilimi 77K sıcaklık seviyesinden oda sıcaklığına (300K) kadar ~10mV civarında değişim göstermektedir. LDO regülatör devresi içinde hata kuvvetlendiricisi görevini yapan çift katlı bir farksal kuvvetlendirici ve bu kuvvetlendiriciye referans gerilimi sağlayan bir bant aralığı referans gerilim üreteci bulunmaktadır. Bu devrenin merkezindeki eleman ise geçiş transistörüdür ve bu çalışmada PMOS tipi olarak seçilmiştir. LDO regülatörün çıkışı direnç geri beslemesiyle farksal kuvvetlendiricinin pozitif girişine bağlıdır. Negatif girişe ise bant aralığı referansı devresinden elde edilen sabit gerilim bağlıdır. Bu geri besleme sayesinde, yük akımı değiştiğinde çıkış gerilimini sabit tutmak için OPAMP çıkış gerilimini ayarlayarak geçiş transistörünün VGS gerilimini değiştirip VDS geriliminin, dolayısıyla LDO regülatörünün çıkış geriliminin sabit olmasını sağlar. OPAMP devre topolojisi olarak NMOS girişli farksal kuvvetlendiriyi takip eden bir ortak kaynak kuvvetlendirici kaskat edilerek kullanıldı. İki katlı kuvvetlendiricilerde kararlılık problemi ortaya çıktığı için miller yöntemiyle kompanzasyon yapıldı. OPAMP devresi 77K sıcaklığında 45μA akım çekip ~70dB kazanç ve ~56O faz marjini sağlamaktadır. Bant aralığı referans gerilim devresi ise tamamen MOS elemanlardan oluşacak şekilde tasarlanmıştır. 77K'den 300K'e kadar 0.04mV/K sıcaklık katsayısı gösterirken 77K sıcaklığında ortalama 95μA akım çekmektedir. Bu yapıda kullanılan OPAMP sayesinde 1V besleme gerilimi seviyelerine kadar aynı referans gerilimini koruyabilmektedir. Bütün devre elemanlarının silikon üzerine serim planları çizilmiş ve serim sonrası simülasyon sonuçları uç koşullardaki şartlarla beraber sunulmuştur.

Summary:

In this study, a low drop-out (LDO) voltage regulator which can operate at cryogenic temperatures is designed using cryogenic transistor models of 0.18μm UMC CMOS process. The designed LDO regulator can provide a 100mA load current while generating four different digitally configurable output voltage levels (0.9V, 1.2V, 1.5V, 1.8V). The designed LDO has 92mV, 80mV, 66mV and 77mV drop-out voltages for the output voltage levels 0.9V, 1.2V, 1.5V and 1.8 respectively. This voltage varies by ~10mV from 77K to room temperature of 300K. The LDO regulator circuit includes a two stage differential amplifier that serves as an error amplifier and a bandgap reference voltage providing the reference voltage to this amplifier. The element in the center of this circuit is the pass transistor and in this study it was chosen as a PMOS. The output of the LDO regulator is connected to the positive input of the differential amplifier via resistor feedback. The negative input is connected to the constant voltage from the bandgap reference circuit. This feedback adjusts the output voltage of the OPAMP to keep the output voltage constant when the load current changes. It allows to change the VGS voltage of the transistor and to maintain the VDS voltage corresponding to the output voltage of the LDO regulator. The OPAMP was used as a circuit topology by cascading a common source amplifier following an NMOS input differential amplifier. To account for the stability in two-stage amplifiers, compensation was made by the miller method. The OPAMP circuit draws 45μA current at 77K temperature and provides ~70dB gain and ~56O phase margin. The bandgap reference voltage circuit is designed to consist of MOSFETs. It shows a temperature coefficient of 0.04mV/K from 77K to 300K, while it draws an average of 95μA at 77K temperature. Thanks to the OPAMP used in this structure, it can maintain the same reference voltage down to 1V supply voltage level. The layouts of the all circuit elements are drawn and the results of post layout simulations with corner conditions are presented.