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

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.