Design of slew rate controlled differential output driver

On yirmi yıl içerisinde, üretim teknolojilerinin gelişmesiyle elektronik sistemlerdeki tümdevre kullanım alanları giderek artmıştır. Buna ek olarak, geli ̧sen üretim teknolojileri, tümdevre boyutlarının küçülmesine ve tümdevrelerde bulunan sayısal blokların yüksek hızlarda anahtarlanabilmesine sebep olmu ştur. Anahtarlama islemleri her ne kadar sayısal devrelerde gerçeklestirilse de, eszamanlı anahtarlama islemleri tümdevrenin sayısal ve analog bloklarının performansına etki edebilecek şekilde gürültü ortaya çıkarmaktadır. Bu gürültü eszamanlı anahtarlama gürültüsü veya endüktif gürültü olarak adlandırılmaktadır. Gürültünün sebebi, kırmık üzerindeki bagalama noktaları ile buna eşdeger düşen paket üzerindeki baglama noktaları arasında gerçekle ̧stirilen baglama hatlarıdır. Bu hatların uzunlugu 2mm ile 5mm arasında degismekte ve elektriksel olarak endüktans olarak davranmaktadırlar. Eszamanlı anahtarlama gürültüsü, anahtarlama olayının frekansı ve çıkıs yüküne basılacak olan akım miktarına baglı olarak artmaktadır. Bu sebeple, eszamanlı anahtarlama gürültüsünün en baskın oldugu sistemler çıkış sürücülerinin bulundugu sistemlerdir. Çıkıs sürücüleri, alıcı tarafında bulunan yük empedansını sürebilmek için kullanılmaktadır. Alıcı katınını girisinde bulunan yüksek empedansı genellikle dü ̧sük degerli bir empedans olmaktadır. Düsük degerli yük empedansı üzerinde istenlien gerilim salınımı saglayabilmek için yüksek miktardaki akımın kısa bir süre içerisinde besleme üzerinden yüke aktarmaktadırlar. Dolayısıyla sistem içerisinde yüksek miktarda e ̧szamanlı anahtarlama gürültüsüne sebep olmaktadırlar. Özellikle gürültü etkisinin önemli oldugu sistemlerde, örnegin analog-sayısal çeviriciler, sayısal-analog çeviriciler, sensörler v.b. blokların bulundugu sistemlerde, sistem içerisinde olu ̧san eszamanlı anahtarlama gürültüsü çıkıs isaretlerinde bozulmaya sebep olmakta ve sistemin gürültü marjını azaltmaktadır. Günümüze kadar, bu problemin çözülebilmesi için farklı devre yöntemleri önerilmi ̧stir. Fakat önerilen devre yapıları uygulamalara özel çözümler sunmakta ve farklı yük kosulları için istenilen etkiyi yaratamamaktadır. Buna ek olarak, önerilen bu yapılar endüktif yükleri sürebilecek şekilde optimize edilmemislerdir. Endüktif yükler, endüstri ve otomotiv alanlarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu yükler, entegre devre dısında gerçeklendi gi için çok yüksek kalite faktörlerine sahiptirler. Ayrıca bu entegre dısından gerçeklenen endüktansların de ̆gerleri mH'lere kadar varmaktadır. Bunların sonucu olarak, endüktif yükler hızlı akım degisiklikleri ile sürüldügü takdirde, çıkış işaretlerinde yüksek zaman sabitli ve yüksek genlikli çınlamalara sebep olabilmektedir. Bu çınlamalar çıkıs isaretlerinin bozulmasına sebep olmakla birlikte, devrede bulunan aktif devrelere kalıcı zarar verebilecek seviyelere kadar çıkabilmektedir. Bu çalısma kapsamında, düsük empedanslı yükleri kontrollu bir şekilde sürebilmek için bir çıkıs sürücüsü yapısı ele alınmı ̧stır. Devrenin olu ̧sturacagı anahtarlama gürültüsünü azaltabilmek amacıyla yükselme egimi kontrol sistemi devreye ek- lenmistir. Yükselme egimi kontrol sistemi, gecikme hücreleriyle kontrol edilen anahtarlar ile gerçeklenmi ̧stir. Bu anahtarlar ile belirli zaman dilimlerinde belirli akım kaynakları aktive edilmi ̧stir. Böylelikle çıkıs isaretinde sabit yükselme egimi elde edilmistir. Çıkıs isaretlerinin lineerli ̆gini iyile ̧stirebilmek için genlik kontrol sistemi kullanılmıstır. Genlik kontrol sistemi çıkıs isaretinin belirli bir degeri a ̧samasını engelleyerek, çıkı ̧s transistörülerinin V DS gerilimlerinin V DS sat de ̆gerinin altına dü ̧smesinin önüne geçmi ̧stir. Genlik kontrol sistemi, devrenin yükselme e ̆gimi kontrol sistemi ile entegre halde çalı ̧sabilecek s ̧ ekilde gerçeklenmi ̧stir, böylelikle çıkıs isaret seviyesindeki de ̆gi ̧simler, i ̧saretin yükselme eğimine etki etmemi ̧stir. Ayrıca, genlik kontrol sistemi, devrenin çıkı ̧sında yükten ba ̆gımsız olarak sabit bir genlik elde edebilmek için kullanılabilmektedir. Devrenin sıcaklık ile sabit yükselme egimine sahip olabilmesi için, devre içerisine sıcaklık sezici bir yapı gerçeklenmi ̧stir. Sıcaklık sezici yapı ile, belirli sıcaklıklar için gerekli kompanzansyon akımını olu ̧sturarak, çıkı ̧s sürücüsü devresinde, -55° ile 125°C sıcaklık aralıgında sabit yükselme e ̆gimi elde edilmesi amaçlanmı ̧stır. Sıcaklık sezici devresinden üretilen geri besleme sinyali, üretim prosesinde bulunan negatif ve pozitif sıcaklık katsayılı dirençler yardımıyla olu ̧sturulmu ̧s akımların belirli oranda toplanılması sonucu elde edilmi ̧stir. Tasarlanan devre resistif ve endüktif yükleri sürebilecek şekilde optimize edilmi ̧stir. Simulasyonlar sırasında endüktif yük olarak transformatör kullanılmı ̧stır. Ölçümlerde kullanılacak olan transformatör, empedans analizörü ve devre analizörü kullanılarak modellenmi ̧stir. Böylelikle simulasyonlarda bu modelden yararlanılarak devrenin endüktif yük sürerken performansı incelenebilmi ̧stir. Modellenen transformatörün primer katındaki kaçak endüktansı 0.2 μH sekonder katındaki kaçak endüktansı ise 5 μH de ̆gerindedir. Manyetik çekirdek endüktansı ise primer tarafında 4.5 mH, sekonder tarafında ise 28.4 mH'dir. Modelleme pasif devre elemanları ile gerçekle ̧stirilmi ̧s ve 2. derece etkiler göz ardı edilmiştir. Buna rağmen modellenen devrenin ölçüm ile simulasyon sonuçları kar ̧sıla ̧stırıldı ̆gında %95'e varan do ̆gruluk gözlemlenmi ̧stir. Önerilen çıkı ̧s sürücüsü yapısı yüksek gerilim dayanımlı transistörlerin de bulundu ̆gu 0.35 μm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanmış ve üretilmi ̧stir. Devrede kullanılan yüksek gerilim dayanımlı transistörlerin savak kırılma gerilimleri 10 V olarak verilmi ̧stir. Önerilen devre, literatürde önerilmis olan devrelerden, genlik kontrolü ve e ̆gim kontrolünün birbirine entegre çalışması, endüktif yükleri sürebilmesi ve -55° ile 125°C aralı ̆gında sabit yükselme e ̆gimine sahip olması ile ayrılmaktadır. Tasarlanan devrenin tipik koşullar altındaki güç harcaması, yüksek güç harcaması konfigurasyonu altında 52.8 mW, dü ̧sük güc harcaması konfigurasyonu altında 33 mW olmaktadır. Bu de ̆gerler yüke aktarılan güçten ba ̆gımsız elde edilen de ̆gerlerdir. Yüke aktarılan akım, yüksek güç harcaması konfigurasyonu için maksimum 200 mA, dü ̧sük güç harcaması konfigurasyonunda ise maksimum 100 mA olmaktadır. Tasarlanan entegre 2MHz giri ̧s i ̧sareti frekansına kadar çalı ̧sabilmektedir. Tasarlanan entegre devrenin yüzey alanı 2x2.45 mm 2 'dir ve içerisinde birbirinden tamamen izole iki adet sürücü bulunmaktadır. Bu iki izole sürücü tamamen farklı besleme gerilimi hatlarına ve toprak hatlarına sahiptir. Giri ̧s ve çıkı ̧sları da birbirlerinden bağımsızdır. Her bir sürücü devresinin referans akım ve gerilim üretçeleri de birbirinden bağımsızdır. Tasarlanan devre tipik simulasyon ko ̧sullarında 8 Ω'luk yük sürerken, yükselme eğiminin de ̆geri 8 V / μs olmaktadır. Aynı ko ̧sullar altında yapılan serim sonrası simulasyonlarda yükselme süresi değeri7.6 V / μs olarak elde edilmi ̧stir. Gerçeklenen devrenin ölçüm sonuçlarında ise 7.4 V / μs yükselme e ̆gimi elde edilmi ̧stir. Sürücü devre 1:2.5 primer - sekonder oranlı trafo ile yüklü iken trafo sekonderi 200 Ω'luk yük ile sonlandırılmı ̧stır. Bu de ̆ger primer tarafında diferansiyel 32 Ω'luk de ̆gere denk dü ̧smektedir. Belirtilen yük durumu için çıkı ̧s i ̧saretinin yükselme e ̆gimi 16 V / μs de ̆gerindedir. Aynı ko ̧sullar altında %95 do ̆gruluklu trafo modeli kullanılarak yapılan serim sonrası simulasyonlarda 15.6 V / μs yükselme eğimi olarak gözlemlenmi ̧stir. Ölçümlerde ise 15.4 V / μs 'lik yükselme e ̆gimi de ̆geri elde edilmi ̧stir. Yükselme e ̆giminin sıcaklıkla de ̆gi ̧simini incelemek üzere, tümdevre endüstriyel bir fırın içerisinde ısıtılıp so ̆gutulmu ̧stur. Yapılan ölçümler sonucu yükselme e ̆giminin -40° ile 80°C sıcaklık aralı ̆gında yakla ̧sık olarak %4 değiştiği gözlemlenmiştir. Bu de ̆ger, serim sonrası simulasyonlarda ise -55°C ile 125°C aralı ̆gı için %3.4'tür. Çalı ̧sma sonucunda, serim sonrası elde edilen simulasyon sonuçlarıyla paralel ölçüm sonuçları elde edilmi ̧stir. Devre endüstriyel ve otomotiv uygulamalarında yaygın bir kullanıma sahip olan yükek de ̆gerli endüktansıların sürülmesinde kullanılaiblmektedir. Yapının modülerliği sayesinde herhangi bir sisteme ufak değişiklikler ile adapte edilmesi mümkündür.