Tez Arşivi

Hakkımızda

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 Bilim Dalı

A high linearity s-band cryogenic low noise amplifier using 180 nm CMOS technology for space applications

Uzay uygulamaları için 180 nm CMOS teknolojisiyle gerçeklenmiş yüksek doğrusallı kriyojenik s-bant düşük gürültülü kuvvetlendirici

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 556408 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Cryogenic circuit design has recently been a focus of research due to multiple fast-developing low-temperature applications In space electronics, sensors and communication circuits should operate at temperatures below 100 K due to harsh ambient conditions Furthermore, in order to increase the sensitivity, cryogenic cooling of the receiver front-end is commonly used in infrared sensors and bio-molecular detectors, with which the contribution of the thermal noise is reduced Finally, circuits for quantum computing should be designed to work below 20 K so that they can interact with quantum bits that are held under 1 K to leverage maximum processing power within their coherence time Many cryogenic low noise amplifiers (LNAs) that have been designed using different device technologies exist in literature However, the performance of CMOS LNAs at cryogenic temperatures has not been sufficiently reported Cryogenic CMOS circuits have been recently of particular interest due to their improved analog, radio frequency, and digital design performance at short channel lengths and low cost of fabrication in comparison to competing device technologies such as heterojunction-bipolar-transistors (HBT), and silicon-on-insulator transistors (SOI) Typically, CMOS LNA gain tends to increase at low temperatures due to higher carrier mobility and the noise figure (NF) decreases mostly proportional to the decline in temperature Nevertheless, a corresponding increase in the threshold voltage and the pronounced impact of layout mismatches complicate the design process Among the relevant work to cryogenic LNAs in general, only one paper presents IIP3 performance at room and cryogenic temperatures with measurement results, where it is stated that IIP3 degrades as the temperature drops Nevertheless, the LNA is driven by a three-stage amplifier The total linearity depends on the gain performance of other stages; therefore, it is difficult to deduce the actual linearity performance of the LNA at cryogenic temperatures The novelty of this work resides in the linearity analysis and improvement of a cryogenic cascode LNA using the linearity theory for the first time The classical LNA design methodology is based on simultaneous input and noise matching thereby optimizing the linearity by proper sizing of transistors This methodology has been modified to accommodate cryogenic conditions thereby retaining IIP3 performance characteristics ...

Özetin tamamını okumak için tez.yok.gov.tr adresine gidin.

Summary:

Son yıllarda artan uzay araştırmaları sebebiyle uzayın zorlu şartlarına dayanıklı elektronik devrelere olan ihtiyaç artmaktadır Bu zorlu şartlar, başlıca uzayda mevcut olan yüksek radyasyon ve düşük sıcaklıklardır Bu sebeple, uzay uygulamaları için elektronik devrelerin özellikle radyasyona karşı dayanıklılığı ve soğuktaki performansları incelenmektedir Uzayda elektronik devreler yaklaşık olarak 100 krad toplam iyonlaştırıcı doza (total ionization dose, TID) maruz kalmaktadırlar ve Güneş'e en uzak olan gezegen Pluton'daki sıcaklık 39 K seviyelerine düşebilmektedir Elektronik elemanların piyasada kriyojenik sıcaklıklar için mevcut modellerinin olmaması sebebiyle literatürde bu konuda önemli birçok çalışma bulunmaktadır Buna rağmen, kriyojenik devrelerin büyük çoğunluğu halen standart devre modelleri kullanılarak tasarlanmaktadır Uzay uygulamalarına ek olarak, kuantum bilgisayarlardaki gelişmeler de kriyojenik devrelere olan ihtiyaç ve ilgiyi arttırmıştır Günümüzdeki mevcut kuantum bilgisayarları mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışabilmektedir Dolayısıyla, entegre bir yapı oluşturmak amacıyla kuantum bilgisayarlarda kullanılan elektronik devreler de kriyojenik sıcaklıklarda çalıştırılmaktadır Uzay uygulamaları için devre tasarımlarında radyasyona dayanıklı ve çok iyi RF özelliklerine sahip olmaları sebebiyle genelde yüksek elektron mobiliteli transistör (high electron mobility transistor, HEMT) ve heterojonksiyon bipolar transistör (heterojunction bipolar transistor, HBT) teknolojileri kullanılmıştır Ancak bütünleyici metal oksit yarıiletken (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) teknolojilerinin son yıllarda boyutlarının hızla küçülmesiyle performansları da büyük ölçüde iyileşmiştir ve radyasyona olan dayanıklılıkları artmıştır Ayrıca CMOS teknolojisinin diğer teknolojilere göre daha ucuz olması ve çok geniş ölçekli entegre devre tasarımına olanak vermesi nedeniyle uzay ve kriyojenik uygulamalarda CMOS devrelerin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır Bu tez TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) 1001 "Uzay Araştırmaları için Analog ve Radyo Frekansı Metal–Oksit–Yarıiletken–Alan–Etkili–Transistör (MOSFET) Modellemesi ve Tümleşik Devre Tasarımı" projesinin bir parçasıdır Bu tezin temel amacı 180 nm UMC CMOS Mixed-Mode/RF teknolojisini kullanarak, uzay uygulamaları için S bandında (2 GHz) çalışacak bir düşük gürültülü kuvvetlendiricinin tasarlanması ve tasarlanan kuvvetlendiricinin kriyojenik ortamda ve radyasyona maruz kaldıktan sonra performansının ölçülmesidir Uzay uygulamaları için ayrılan S bandındaki frekans aralığı (2 025 GHz - 2 12 GHz), kuvvetlendiricinin çalışma frekansı olarak belirlenmiştir Kriyojenik sıcaklıkta ve radyasyona maruz kaldıktan sonra kuvvetlendirici metriklerindeki değişimleri kolayca analiz edebilmek için devre topolojisi olarak tek katlı kaskod yapısı seçilmiştir Mevcut kriyojenik kompakt transistör modeli olmaması sebebiyle düşük gürültülü kuvvetlendirici standart transistör modelleriyle oda sıcaklığına göre tasarlanmıştır Fakat daha önce yayınlanmış çalışmalardaki transistörün kriyojenik sıcaklıklardaki davranışları incelenerek kuvvetlendiricinin DC kutuplama noktaları bu çalışmalardaki verilerden faydalanarak seçilmiştir Ayrıca literatürdeki kriyojenik düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin düşük sıcaklıklardaki performansları incelenmiş olup kuvvetlendirici metriklerinin soğuktaki değişimleri hakkında bilgi elde edilmiştir Birçok çalışmada gösterildiği gibi soğukta düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin kazancı, yük taşıyıcısının mobilitesi arttığı için artmaktadır Aynı zamanda, termal enerjinin düşmesiyle kuvvetlendiricilerin gürültü katsayısı da (noise figure, NF) önemli ölçüde azalmaktadır Bunun yanında, kriyojenik sıcaklıklarda kuvvetlendiricilerin doğrulsallığıyla ilgili yeteri bilgi bulunmamaktadır şuana kadar sadece bir çalışma, kriyojenik düşük gürültülü kuvvetlendiricinin doğrusallığının hem kriyojenik hem de oda sıcaklığındaki ölçüm sonucunu sunmaktadır Bu sonuçlara göre, soğukta kuvvetlendirici doğrusallığı azalmaktadır Bu değişim, esas olarak kazancın çok fazla artmasına dayandırılmıştır Fakat şimdiye kadar doğrusallık ile ilgili herhangi bir analiz yapılmamıştır Literatürdeki bu boşluk sebebiyle bu tez içerisinde bu konuya odaklanılmıştır Bu tezde tek katlı bir kaskod kuvvetlendiricisinin doğrusallık analizi yapılmıştır Oda sıcaklığına göre tasarımı yapılan düşük gürültülü kaskod kuvvetlendiricilerin, kriyojenik sıcaklıklarda kazancı artarken doğrusallık performansını korumasını sağlayacak bir tasarım yöntemi sunulmuştur TÜBİTAK projesi kapsamında kriyojenik ölçümler için sıcaklık olarak 77 K (Sıvı azot sıcaklığı) seçilmiştir Kriyojenik sıcaklıkta gürültü katsayısı ölçümünde yüksek doğruluk için kriyojenik zayıflatıcı yöntemi kullanılmaktadır Bu yöntemin kullanılabilmesi için test edilecek tasarımın bir devre kartı üzerine lehimlenmesi gerekmektedir Bu, tasarlanan çipin paketlenmesi anlamına gelmektedir çipin paketlenmesi, aynı zamanda empedans uyumlama devresini ayrık elemanlarla gerçekleme imkanı vermektedir Bu sayede giriş ve çıkış empedans uyumu uygun ayrık elemanlar seçilerek deneysel olarak hem oda sıcaklığında hem de 77 K'de sağlanmıştır Bu yöntemle birlikte 77 K'de giriş ve çıkış yansıma kayıpları yüksek tutularak empedans uyumsuzluğunun doğrusallık ve kazanç gibi diğer metrikleri kötüleştirmesinin önüne geçilmiştir Tasarımda, UMC 180 nm kütüphanesindeki RF transistörler kullanılmıştır Bu transistörlerin serimleri en az parazit kapasite ve direnç içerecek şekilde düzenlenmiş olarak teknoloji kütüphanesinde hazır bir şekilde tasarımcıya sunulmuştur Buna ek olarak, bu transistörlerin etrafında bir koruma halkası (Guard ring) bulunmaktadır önceki yapılan çalışmalar radyasyondan kaynaklanan bozulmaların koruma halkaları sayesinde önemli ölçüde azaltıldığını göstermiştir Tasarlanan kuvvetlendiricinin 300 K'deki kazancı, gürültü katsayısı ve üçüncü dereceden giriş kesişim noktası (third-order input intercept point, IIP3) sırasıyla 15 5 dB, 1 6 dB ve 2 ...

For full summary, please go to tez.yok.gov.tr.