Salt MOSFET süzgeç tasarımında yeni olanaklar

Analog tasarım otomasyonu üzerindeki araştırmalar, devre tasarımındaki el hesaplarının zorluğundan ortaya çıkmıştır. El hesabına dayalı devre boyutlandırması, devredeki idealsizliklere dayalı teorik sonuçlardan sapmalar sebebiyle oldukça zaman alıcı bir işlemdir. Bununla birlikte, farklı performans parametreleri arasında optimal çözümün seçilmesi, özellikle devrelerin karmaşıklaştığı durumlarda, çok kritik ve zorlu bir süreç haline gelir. Bu bağlamda, klasik denklemlerin yeniden formüle edilmesi ve tasarımcının bilgisi entegrasyonu ile benzetime dayalı verilerle elde edilen deneyim, yeni bilgisayar destekli otomasyon algoritmalarının çıkmasına sebebiyet vermektedir. Bununla beraber, MOS-Only devre tasarımı, büyük çip alanını gerektirmediği için büyük önem kazanmaktadır. MOS-Only tasarımının en önemli şartı, elektronik devrelerdeki temel bileşenlerin fiziksel özelliklerini ve çalışma mekanizmalarını anlamaktır. Dahası, çok büyük ölçekli entegre (VLSI) tasarımında, devrelerin çoğu elle hesaplamalarla ve tekrarlanan hesaplama zincirleri ile boyutlandırılmıştır. Bu açıdan, tasarımcının bilgi ve tecrübesini ve geleneksel denklemlerin yeniden formülasyonunu içeren tasarım otomasyon önerilerine bu alanda büyük bir ihtiyaç vardır. Sonuç olarak, bu acil talep ve hızla büyüyen VLSI teknolojisinden farklı algoritmalar veya yöntemler ortaya çıkmaktadır. Günümüzde analog süzgeçleri tasarlamak için en popüler yollardan biri, MOSFET'in iç parametrelerinden geçit-kaynak kapasitesi ( ) ve geçiş iletkenliğini ( ) kullanmaktır. Bu türden devreler herhangi bir harici pasif eleman barındırmayarak az kırmık alanı kaplarlar. Ayrıca, harici aktif devre elemanlarından herhangi birini ya da temel analog bloklarını da içermezler. Diğer çalışmalarla kıyaslanırsa, tam farksal akım taşıyıcı (FDCCII), akım kontrollü akım taşıyıcıları (CCCII), akım farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (CDTA), çok çıkışlı ikinci nesil akım taşıyıcı (MO-CCII), çift çıkışlı ikinci nesil akım taşıyıcı (DO-CCII), gerilim farkı alan geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (VDTA), değiştirilmiş akım izleyici geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (MCFTA), işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), çift çıkışlı akım kontrollü akım farkı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (DO-CCCDTA), farksal gerilim akım taşıyıcı (DVCC) vb gibi aktif elemanları kullanan literatürde pekçok akım modlu süzgeç bulunmaktadır. Fakat, bu devreler, büyük serim alanı ve düşük çalışma frekansı yüzünden dezavantajlıdırlar; çünkü çok sayıda transistör ve pasif devre elemanı içerirler. Bu tezde, MOS-Only süzgeçlerinin ve MOS-C yapılarının tasarımını otomatikleştirmek için iki yeni farklı yöntem sunulmuştur. Önerilen yöntemler farklı teknolojiler için kolayca uygulanabilir. Ayrıca, bu yöntemler kullanılarak önerilen yeni yapılar farklı uygulama alanlarında kolaylıkla çalıştırılarbilirler. Burası dikkate alınmalıdır ki; sunulan MOS-Only yapılarının tasarım döngüsünü otomatikleştirmek için temel küçük işaret parametrelerinin yüzey uydurma ve gelişmiş polinom regresyon yöntemleri kullanılarak modellenmesi gereklidir. Bununla birlikte, daha iyi modelleme doğruluğunun tasarım karmaşıklığı ile ortaya çıkması kaçınılmazdır. Tasarım karmaşıklığını önlemek için, ön tasarım kısıtları dikkate alınarak önerilen devreler için uygun yöntemi seçmek önemlidir. MOS-Only yapıların tasarım otomasyonu için genel bir çözüm üretmek adına bu çalışmada iki farklı yöntem sunulmuştur. İlk yöntem, polinom regresyonuna dayanan Salt MOSFET devre tasarım otomasyonudur. Bu yöntemde, bazı yüksek dereceli polinom işlevleri transistörlerin küçük işaret parametrelerine uydurulmaktadır. Bu işlevler, önceden tanımlanmış tasarım kısıtlamalarını, boyutlar, öngerilim voltajları / akımları gibi tasarım değişkenleriyle ilişkilendirir. Farklı benzetim programlarının verilerine dayanan çıkarılmış formülasyonlar, bilgisayar destekli yöntemlerle yüzeye uydurmanın sonucudur ve farklı teknolojiler için kolaylıkla düzenlenebilir. Birinci yönteme dayanan otomasyon döngüsünün sonunda, ele alınan MOS-Only devresindeki tüm transistor boyutları, kutuplama akımları ve gerilimlerinin elde edilmesi amaçlanır. Ayrıca bu yöntem, tasarım sonrası spesifikasyonların hesaplanması için yüksek hesaplama doğruluğu getirir. İkinci yöntem konveks yaklaşım olarak tanımlanır. Konveks programlama, matematikten derin mühendislik problemlerine kadar çok çeşitli uygulamalar için kullanılır. Bu teknik, elektronik alanında tasarımcıları hesaplama hızı ve genel açıdan en iyi çözümü bulma adına cezbetmektedir. Birinci yönteme kıyasla, tüm tasarım parametrelerinin posinom ve monomiyal formülasyonlar kullanılarak elde edilmesi amaçlanmıştır. Öte yandan, tasarım parametrelerinin modellenmesi, yüzey uydurma fonksiyonlarının spesifik setleri olan tek terimliler ya da pozitif katsayılı çok terimliler kullanılarak her teknolojide yüksek doğrulukta mümkün olmayabilir. Bu çerçevede bu çalışmada, tasarım parametreleri TSMC CMOS 0.18μm süreci ile modellenmiş ve sonuçlar yukarıda belirtilen ilk yöntemle kapsamlı olarak karşılaştırılmıştır. Son olarak, MOS-Only ve MOS-C devreleri için eşik altı çalışması polinom regresyonu kullanılarak modellenmiştir. Bu bölgede, çok çeşitli düşük frekans uygulamaları için farklı devreler geliştirmek mümkündür. Tüm küçük işaret parametreleri, parçalı polinom regresyonu kullanılarak yüksek doğrulukla bu bölge için yeniden formüle edilmiştir. Burada, modellerdeki tüm katsayıların farklı teknolojiler için yeniden elde edilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir. Bunun yanında, tüm devre serimleri ve serim sonrası benzetimler, CADENCE ortamında TSMC CMOS 0.18μm teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, önerilen yöntemlerle tasarlanan devrelerin elektronik devre tasarımcılarına yeni olanaklar getirmesi amaçlanmaktadır.