Kırmık alanını azaltmaya yönelik sığa çapıcı devrelerin fiziksel serim çalışması

Bu tezin ana amacı, sığaç çarpıcılarını kullanarak kırmık alanı kazanımını sağlamaktır. Teknoloji boyutları küçüldükçe aynı alana daha fazla eleman sığdırmak daha önemli hale gelmiştir. Dijital devreler, analog devrelerden bu konuda daha avantajlıdır. Dijital devrelerde milyonlarca eleman kısıtlı kıymık alanına yerleştirilebilmektedir. Analog devrelerde ise bu durum bu kadar kolay değildir. Teknoloji boyutu küçülmesine rağmen elektriksel açıdan kısıtlamalar eleman boyutlarını küçültmeyi zorlaştırmaktadır. Bu kısıtlamaların başında elemanların eşdeğer gerilimi gelmektedir. Analog devrelerin en çok kullanılan elemanı olan sığaçlar ise bütünleşik devrelerde diğer elemanlara göre daha fazla alan kaplamaktadır. Sığaç değerini arttırmaya yönelik farklı tabakalar kullanılmasına rağmen sınırlı alanda istenen sığaç değerleri elde edilememektedir. Özellikle filtre devrelerinde çok sayıda sığaç kullanılmaktadır. Bu yüzden sığaç çarpıcıların toplam kıymık alanını azaltmada önemi büyüktür. Bobinler de sığaçlar gibi analog devrelerde çok büyük kıymık alanı işgal etmektedir. Aktif devreleri kullanarak daha küçük alan için eşdeğer bobin değeri elde dilebilir. Fakat bobinler sığaçlar kadar çok kullanılan devre elemanı değillerdir. En büyük alan kazanımını elde etmek için fiziksel serim çalışması çok önemlidir, serim çalışması sırasında doğru yöntemler uygulanmalıdır. Doğru yöntemleri kullanabilmek için ise fiziksel serim bilgisinin yanında yarıiletken elemanların yapılarını da iyi bilmek gerekmektedir. Bölüm 2'de metal oksit yarıiletken alan etkili transistör (MOSFET), direnç ve sığaç yapıları detaylı bir şekilde anlatılmıştır. CMOS ve diyot yapısı detaylı olarak gösterilmiştir. Ek olarak, MOSFET'in fabrikasyon süreci ve parazitik sığaçları gösterilmiştir. Parazitik sığaçlara, sığaç çarpıcı devrelerinde çok dikkat edilmesi gerekmektedir. Çarpım değerinin çok büyük olduğu devrelerde çarpılan birim sığaca ek olarak gelen düşük sığaç değerleri çok yüksek değerlere ulaşabilir. Bu durum ise elde edilmek istenen eşdeğer sığaç değerinin hata payından daha fazla değişmesine neden olabilir. Bölüm 3'te analog fiziksel serim teknikleri ve kısıtlamaları açıklanmıştır. Bu teknikler kırmık alanını en aza indirmek ve elemanlar arasında eşleşmeyi sağlamak için kullanılır. Genellikle, bu teknikler MOSFET için kullanılmakla beraber diğer elemanlar için de kullanılması son derece önemlidir. Direnç ve sığaçlar devrelerde çok fazla alan işgal etmektedirler. Çoklu geçitli MOSFET kullanmak bu yöntemlerin en bilinenidir. Doğru MOSFET kullandıktan sonra birden fazla MOSFET'i simetrik bir biçimde dizmek ve metal bağlantılarını yine simetrik yapmak eşleşme için çok önemlidir. Kukla eleman kullanmak ve ortak merkezli yerleşim yapmak simetri için kullanılan diğer yöntemlerdir. Teknoloji yıldan yıla değiştikçe bu yöntemlerin de değiştiği dikkate alınmalıdır. Bunu sebebi, eleman boyutları küçüldükçe elemanların yeni davranışlarının keşfedilmesidir. Gelecekte, atom boyutlarına yakın elemanlar kullanılacağı düşünülürse, bu elemanların bugünkü kullanılan elemanlardan daha farklı davranışlar göstereceği açık bir şekilde tahmin edilmektedir. Buna bağlı olarak ise, anlatılan yöntemlerinde değişeceği anlaşılmaktadır. Anlatılan bu yöntemleri kullanmanın yanında bu yöntemlerden bağımsız veya onların da sebep olduğu bazı kısıtlamalar mevcuttur. Bu kısıtlamalar da son derece önemlidir. Bu kısıtlamalardan en önemlisi LUP (Latch up)'tır. LUP'a yeteri kadar dikkat edilmediği takdirde, bütünleşik devrede çok yüksek genlikli kaçak akımlar meydana gelebilmektedir. Bu durum devrenin düzgün çalışmasını engellemektedir. Bu sorunun sebepleri ve yöntemleri detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Diğer bir kısıtlama ise kuyu yakınlık etkisidir. Kuyuya yakınlık elemanların davranışlarını etkilemektedir. Örneğin; MOSFET'in eşik gerilimi bu durumdan etkilenmektedir. Yayılma alanının uzunluğu MOSFET'in eşik gerilimini etkileyen bir diğer kısıtlamadır. Bu uzunluğun nasıl uygun hale getirileceği şekiller ile detaylı olarak gösterilmiştir. Kısıtlamalarda son olarak anten etkisi anlatılmıştır. Bu etki, MOSFET'in geçidine çok uzun ve sürekli metal bağlanması sonucunda oluşur ve geçide zarar verir. Çözüm yöntemleri anlatılmıştır. Bölüm 4'te sığaç çarpıcıları açıklanmıştır. Çarpıcılar temelde iki gruba ayrılır. Bunlar; gerilim modlu ve akım modlu çarpıcılardır. Konvansiyonel metotlar ve literatürden örnekler açıklanmıştır. Literatür incelendiği zaman genellikle akım modlu devre topolojileri araştırıldığı görülmüştür. Gerilim modlu topolojiler üzerinde daha az çalışma yapıldığı saptanmıştır. Bu çalışmada da benzer şekilde akım modlu çarpıcı topolojileri hakkında daha çok bilgi verilmiştir. Gerilim modlu olarak ise sadece bir tane topoloji örneği bulunmaktadır. Bölüm 5'te ise, bir tane konvansiyonel gerilim modlu çarpıcı ve iki tane akım modlu çarpıcı tasarlanmış ve fiziksel serimi yapılmıştır. Akım modlu devrelerin bir tanesi akım kaynaklı temelli olup bir diğeri ise OTA temellidir. Bütün örnekler üç tane çarpan değeri için gerçekleştirilmiştir. Bunlar; 28, 65 ve 126'dır. Benzetim sonuçları eşdeğer sığaç empedansı, eş değer sığaç değeri ve eşdeğer sığacın kalite faktörü için yapılmıştır. Çarpıcının sığaç davranışı gösterdiği frekans aralığı empedans fazının 81 derece olduğu bölge sınırlandırılmıştır. Bu değerin hata payı ideal sığaç için empedans fazının 90 derece olduğu düşünülürse %10 olarak belirlenmiştir. Hesaplanan eşdeğer kapasite değeri ve kalite faktörü ise empedans benzetiminde saptanan frekans aralığı için hesaplanmıştır. Devrelerin fiziksel serimleri ilk önce detaylı olarak daha sonra ise eşdeğer sığaç boyutu ile beraber gösterilmiştir. Bölüm sonunda ise, gerçekleştirilen bütün topolojiler ve çarpan değerleri için sığaç empedansı, eşdeğer sığaç ve alan kazanımını gösteren çizelgeler bulunmaktadır. Bölüm 6'da, üç farklı topoloji ve üç farklı çarpan değeri için çapıcılar karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Frekans aralığı, toplam alan kazanımı ve eşdeğer sığaç değeri açısından karşılaştırmalar yapılmıştır. Birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Gelecekte yapılması gereken çalışmalar olarak ise gerilim modlu çarpıcılar başta olmak üzere farklı topolojilerin araştırılması ve gerçekleştirilmesi belirlenmiştir. Mevcut gerçekleştirilen topolojilerin ise performanslarının nasıl arttırılacağının araştırılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Yine mevcut gerçekleştirilen devrelerin fabrikasyon süreciyle üretilmeleri ve ölçümlerinin alınması da bir diğer çalışma olarak düşünülmüştür.