Hall etkisi bazlı akım sensörü uygulaması için 14-bit 100-kHz sürekli zamanlı delta-sigma analog dijital çevirici

Günümüzde tümdevre teknolojisinin giderek gelişmesiyle birlikte ayrık elemanlarla gerçekleştirilen elektronik sistemler hem alan hem de güç tasarrufundan dolayı system-on-chip denilen bütün bir sistemi oluşturan blokların aynı kırmık üzerinde bulunduğu sistemler olarak gerçekleştirilmektedir. Bir çok alt bloktan oluşan sensör uygulamaları ise bunun iyi bir örneğidir. Genel olarak sensor sistemleri sensor çekirdeği, kuvvetlendirici, analog sayısal dönüştürücü, sayısal işaret işleme ve sayısal analog (S/A) dönüştürücü bloklarından oluşmaktadır. Kalibrasyon gibi işlemler sayısal ortamda yapıldığı takdirde analog sayısal (A/S) dönüştürücü bloğunun olması şarttır. Bu çalışmada da bir sensor uygulaması için analog sayısal dönüştürücü tasarlanmıştır. Sensör çekirdeği Hall etkisini kullanarak üzerine düşen manyetik alandan Hall gerilimini oluşturmaktadır. Bu gerilim küçük genlikli olduğundan kuvvetlendirici bloğu gerekmektedir. Daha sonra gerek sensor çekirdeğinden gerekse diğer elektronik işaret işleme bloklarından kaynaklı nonlineerlikleri düzeltmek için sayısal kalibrasyon gerekmektedir. Kalibre edilen işaret sayısal analog çevirici kullanılarak dışarıya analog olarak verilmektedir. Analog sayısal dönüştürücü ise sürekli zamanlı delta sigma analog sayısal dönüştürücü olarak seçilmiştir. Bunun sebebi sensor sistemi için gerekli olan hassasiyet ve hız seviyesidir. 14-bit çözünürlük ve 100 kHz bant genişliğine sahip olması istenen analog sayısal dönüştürücü için en optimum seçenek delta sigma analog sayısal dönüştürücülerdir. Düşük hızlı ve yüksek çözünürlüklü uygulamalar için delta sigma dönüştürücüler tercih edilmektedir. Delta sigma A/S dönüştürücüler genel olarak üç alt bloktan oluşur. Bunlar, gürültü şekillendirmenin yapıldığı filtre bloğu, yüksek hızlı örnekleme ve kuantalamanın yapıldığı kuantalayıcı bloğu ve geri besleme katsayılarının oluşturulduğu bloklardır. Bu tasarımda geri besleme katsayıları akım modlu S/A dönüştürücüler ile elde edilmiştir. Filtre ise aktif-RC integratörler kullanılarak oluşturulmuştur. Kuantalayıcı ise basit bir flash tipinde A/S dönüştürücüdür. Tümdevre tasarımında genel olarak önce sistemin ideal modeli oluşturularak sistemin fonksiyonel bir hatası olup olmadığı kontrol edilir. Daha sonra da şematik seviyesinde tasarıma geçilerek gerçek modele sahip elemanlarla tasarıma devam edilir. Sonrasında ise fiziksel tasarım olarak devrenin serimi yapılır ve üretime hazır olduğundan emin olunduktan sonra üretime gönderilir. Üretimden geldikten sonra da çipin ölçümüne başlanır. Tümdevre tasarımının temel adımları bunlardır. Bu çalışmada da benzer tasarım adımları uygulanmıştır. Öncelikle A/S dönüştürücü sisteminin Simulink ve Verilog-A kullanılarak devrenin ideal modelleri yapılmış ve benzetimler yapılarak sistemin herhangi bir yapısal hatası var mı diye kontrol edilmiş, olan hatalar da düzeltilmiştir. Benzetim sonuçlarında 100 dB civarı SQNR görüldükten sonra da şematik seviyesi tasarıma geçilmiştir. Şematik seviye tasarım ise modeldeki ideal elemanlar üreticiden gelen gerçek modele sahip elemanlarla değiştirilerek yapılmıştır. Örneğin, ideal bir anahtar elemanı yerine transistörler kullanılarak yapılan bir anahtar koyulduğunda doğal olarak o anahtarın direnci, gecikmesi, yük etkileri devreye girecektir. Bu da performansta bir düşüşe sebep olacaktır. Gürültü ve işaret transfer fonksiyonlarını sağlayan filtre aktif-RC integratörler kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tipteki integratörler direnç, geri besleme kapasitesi ve operasyonel kuvvetlendirici kullanılarak yapılır. Bu tasarımda da kuvvetlendirici olarak katlı kaskot yapısında giriş katı ve ortak kaynak bağlı bir çıkış katı birlikte kullanılarak iki katlı bir yapı tasarlanmıştır. Filtre üçüncü dereceden olduğu için üç tane integratör kullanılmıştır. İşaretle ilk karşılaşan blok ilk integratör olduğu için o integratör özellikle gürültü performansı daha iyi olacak şekilde tasarlanmıştır. Kuantalayıcı katı olarak 5-bitlik basit bir flash A/S dönüştürücü kullanılmıştır. Bu tür A/S dönüştürücüler referans aralığı ve bu referansları giriş işaretiyle karşılaştıran karşılaştırıcı devrelerinden oluşmaktadır. Bu tasarımda ise direnç dizisiyle oluşturulan referanslar ve bu referansları girişle karşılaştıran 16 adet karşılaştırıcı devresi kullanılmıştır. 16 seviyelik bir flash A/S dönüştürücü olduğu için 5-bit olarak kabul edilmiştir. Geri besleme katsayılar ise akım modlu S/A kullanılarak filtreye verilmiştir. Burada S/A dönüştürücü kullanılmasının sebebi, kuantalayıcının termometrik kodlu 16 bitlik dijital bir işaret oluşturması ve filtreye girecek geri besleme katsayılarının ise analog olması gerekliliğidir. Akım modlu S/A dönüştürücü 16 adet hücreden oluşmaktadır ve her bir bit bir hücredeki anahtarla o hücreden akım geçmesini ya da geçmemesini sağlar. Bu şekilde 16 hücrenin akımı toplanarak filtreye geri besleme olarak girer. Burada önemli olan diğer bir blok ise dinamik eleman eşleme bloğudur. Genel olarak D/A dönüştürücülerin girişine koyulan bu tip bloklar S/A dönüştürücü hücreleri arasındaki uyuşmazlık etkilerinden kaynaklı lineerlik bozulmalarını düzeltmeye yararlar. Bu tasarımda da dinamik eleman eşleme metoduyla S/A dönüştürücünün performansı arttırılmıştır. Dinamik eleman eşleme metodu ise şu şekilde çalışmaktadır: Kuantalayıcı çıkışından gelen termometrik kodlu bitler S/A dönüştürücü düşük bitlerin denk geldiği hücrelerin sürekli aktif olmasına sebep olur. Bu da bu hücreler arasındaki uyuşmazlık etkilerinin performansı daha çok etkilemesine sebep olur. Bu neden termometrik kodlu bitler dinamik eleman eşleme metoduyla rastgele olacak şekilde dağıtılır ve hep aynı hücrelerin aktif olması engellenir. Böylece de aktif olan S/A dönüştürücü hücrelerinin çeşitlenmesiyle uyuşmazlıkların ortalaması düşer. Bu da S/A dönüştürücünün lineerliğini arttırır. A/S dönüştürücü çıkışı yüksek hızlı örnekleyen saat işaretiyle çalıştığı için çıkış verisini Nyquist bandına indirmek için delta sigma A/S dönüştürücülerinde seyreltme filtresi kullanılır. Sistem üçüncü dereceden olduğu için seyreltme filtresi de sinc3 fonksiyonu olacak şekilde seçilmiştir. Bu fonksiyonu gerçeklemek için ise Hogenauer filtre yapısı kullanılmıştır. Bu yapının kullanılma sebebi ise gerçekleme kolaylığıdır. Seyreltme filtresi tamamen dijital olduğu için de Verilog koduyla tasarlanıp Cadence tasarım ortamının dijital tasarım araçları kullanılarak sentezlenip diğer bloklara eklenmiştir. Şematik seviye tasarımda alt bloklar bu şekilde tasarlandıktan sonra tüm sistemin benzetimleri yapılmıştır. Burada da 86 dB civarında bir SNDR elde edilmiştir. Ek olarak, işaretin girdiği ilk blok olan delta sigma modulatörün termal gürültü performansına da bakılmış ve gürültü performansın -87 dB civarında olduğu görülmüştür. Bu da kuantalama gürültüsü, harmonik distorsiyon ve termal gürültü toplamının 80 dB'den yüksek olduğu anlamına gelmektedir. Bu da zaten istenilen SNDR 80 dB civarında olduğu için iyi bir değer denebilir. Şematik tasarım bittikten sonra da devrenin fiziksel tasarımına yani serimine başlanmıştır. Serimde önce istenilen alana sığacak şekilde yer planı yapılıp sonra da alt bloklardan başlanarak hepsi için tek tek belirlenen alanlara uyacak şekilde serimleri yapılmıştır. Buradaki diğer önemli konu ise işaretin izlediği yola uygun olarak yer planının yapılmasıdır. Alt blok serimlerinde mümkün olduğunca düşük seviyeli metaller kullanılmaya çalışılmıştır. Serimler bittikten sonra DRC, LVS ve ERC kontrolleri yapılmıştır. Sonrasında ise serim sonrası benzetimleri yapılmıştır ve bu sonuçlarda da 77 dB civarı bir SNDR elde edilmiştir. Bu değer hedeflenen değerden düşük olmasına rağmen yine de kabul edilebilir bir değerdir. Devre tamamlandıktan sonra sensör sistemindeki diğer bloklara eklenip üretime gönderilmiştir. Çip üretilip geldikten sonra ölçümlere başlanmıştır. Çip sadece delta sigma A/S dönüştürücüyü değil de bir sürü bloğun bulunduğu sensör sistemini içerdiği için tek başına A/S dönüştürücünün performansı düzgün ölçülememiştir. En başta seyreltilmiş delta sigma A/S dönüştürücü çıkışını çipin SPI haberleşme arayüzünü kullanarak dışarı almak planlanmıştır ancak SPI hızı özellikle 1 kHz'den yüksek hızlı A/S giriş işaretleri için yeterli gelmemeye başlamıştır. Buna çözüm olarak A/S dönüştürücü diğer bloklarla birlikte çalıştırılmış ve tüm sistemin çıkışı olan S/A dönüştürücü çıkışının frekans spektrumu incelenmiştir. Burada daha iyi bir lineerlik performansı görülse de sebebinin yüksek ihtimalle sistemin en son bloğu olan S/A dönüştürücüden kaynaklandığı düşünülmektedir. Yine de bütün sensör sistemi incelendiğine delta sigma A/S dönüştürücünün performansına tam olarak bakılamasa da çalıştığı gözlenmiştir. A/S dönüştürücünün benzetim performansı FoM (Figure of Merit) hesaplanarak literatürdeki diğer benzer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Burada da akım optimizasyonu yapılmadığı için S/A dönüştürücünün güç tüketiminin diğer çalışmalardan fazla olduğu görülmüştür. İleri çalışma olarak ise A/S dönüştürücünün akım optimizasyonu yapılıp daha iyi bir FoM değerine sahip olması sağlanabilir. Buna ek olarak seyreltilmemiş A/S dönüştürücü çıkışı çipe yeni terminaller eklenerek direkt olarak dışarıya verilebilir. Bu sayede ölçümde karşılaşılan zorluklar çözülmüş olur ve A/S dönüştürücünün performansına net bir şekilde bakılabilir. Sonuç olarak bu çalışmada sensör uygulaması için sürekli zamanlı delta sigma A/S dönüştürücü genel tümdevre tasarım aşamalarına uyularak tasarlanmış ve ölçümler sonucunda başarılı olduğu görülmüştür.