CMOS okuma tümdevreleri

Günümüz teknolojisinde ışık, ses, görüntü, basınç, ivme, kimyasal madde gibi çevremizdeki fiziksel özelliklerin varlığını ve niteliklerini ölçmemizi sağlayan çok sayıda algılayıcı kullanılmaktadır. Bu algılayıcılar çoğu zaman ölçülen nitelikle orantılı elektriksel bir işaret oluşturur. Örneğin YİTAL (Yarı İletken Teknolojileri Araştırma Laboratuvarı)’de üretilen fotodedektörler, üzerine düşen belirli bir dalga boyundaki ışığın şiddeti ile orantılı bir elektrik akımı üretir.

Algılayıcıların oluşturduğu bu elektriksel işaretlerin, veri olarak kaydedilmesi ve işlenebilmesi amacıyla Analog-Sayısal Dönüştürücü (ADC) devreleri kullanılarak sayısal işarete çevrilmesi gerekir. Ancak çoğu zaman algılayıcı sinyal düzeyleri ve süreleri oldukça düşük kaldığından doğrudan ADC ile örneklemek mümkün olmaz.

Bu nedenle algılayıcı çıkışlarında işaretleri yükseltip ADC kullanımına uygun düzeye getiren Okuma Devreleri kullanılır.

Okuma devreleri, ayrık bileşenler kullanılarak ya da tümleşik olmak üzere iki farklı şekilde gerçeklenebilir. Ayrık bileşenlerin bir araya gelmesiyle üretilen baskı devre kartlarında İşlemsel Yükselteç (OP-AMP)’ler, gerilim düzenleyiciler, sayısal kontrol devreleri, diferansiyel dönüştürücüler gibi aktif devrelerin yanında çok sayıda direnç ve kondansatör kullanılır. Tümleşik Okuma Devrelerinde ise bu bileşenlerin çoğu tek bir çip (tümdevre/kırmık/yonga) üzerinde bir arada üretilerek büyük ölçüde alandan tasarruf sağlanır ve çok daha ufak boyutlarda okuma devresi kartları elde edilir. Hatta ADC’yi de tümdevreye dahil ederek okuma devresinin parçası olarak üretmek mümkündür.

Bileşenleri tek bir tümdevre olarak üretmenin, düşük boyut kazanımı yanında, düşük maliyet, düşük güç tüketimi, eş bileşenler arası daha az değişkenlik gibi çeşitli faydaları vardır. Ayrıca ayrık kartlarda sadece hazır olarak satılan ürünleri kullanma kısıtı varken, tümdevrelerde daha özgür bir tasarım ile yüksek işlevsellik potansiyeli elde edilir.

Dedektör Okuma Tümdevreleri

YİTAL’de üretilen Fotodedektör algılayıcılar saha uygulamalarında halen ayrık bileşenli okuma devreleri ile birlikte kullanılmaktadır. Bu okuma devrelerini tümleştirme yönünde çalışmalar devam etmektedir.

YİTAL’in 0,7µm CMOS tümdevre üretim teknolojisi , Fotodedektör Okuma Devresini tümleştirerek tek bir çip halinde üretmek açısından oldukça uygundur. Bu teknolojide bulunan bileşenler NMOS ve PMOS transistorler, direnç, kondansatör ve diyotlardır. Bu bileşenlerle okuma devresini oluşturan İşlemsel Yükselteç, Gerilim Kontrollü Yükselteç (VGA), Sayısal Kontrol Devresi, Diferansiyel Dönüştürücü, Akım Aynaları, Gerilim Düzenleyici gibi tüm alt-bloklar tasarlanabilir. MOS transistorlar anahtar veya yükseltici olarak kullanılabilir.

Giriş Yükselteci ve Gürültü

Okuma devrelerinde ölçülebilen en düşük işareti belirleyen blok, Giriş Yükselteci’dir. Genel olarak, algılanabilen işaret seviyesini bu yükseltecin gürültüsü sınırlar. Bu nedenle bu kat oldukça düşük gürültü ile tasarlanmalıdır. Bu da girişteki transistorların boyutu ayarlanarak gerçekleştirilir. Giriş katı, algılayıcı işaretini büyük ölçüde kuvvetlendireceği için, sonraki katların gürültüsünün işarete etkisi ihmal edilebilir.

Fotodedektör algılayıcıların çıkış işaretleri akım olduğundan, giriş yükselteçleri Akım – Gerilim Dönüştürücü (TIA) olarak tasarlanır. TIA’ların bir özelliği de giriş empedanslarının düşük olmasıdır. Böylece dedektör için gerekli topraklama sağlanmış olur.

Dinamik Aralık

Okuma devrelerinde geniş bir dinamik çalışma aralığı gerekebilir. Örneğin bazı algılayıcılar 0,5uA – 10mA arasında çıkış akımı üretmektedir ki bu 20,000 kat dinamik aralığa eşittir. Okuma devresi çıkış gerilimleri, DC besleme gerilimi ile sınırlıdır, bu da genelde 5V en yüksek genliğe denk gelir. Ayrıca çıkışları fazla gürültü karışmadan ADC’ye aktarabilmek için genlikler 10 mV seviyelerinin üzerinde olmalıdır. Bu da okuma devresini 500 kat dinamik aralık ile sınırlar.

Okuma devresinin çalışma aralığını artırmak için Kazanç Kontrollü Yükselteçler (VGA) kullanılır. İşaret seviyeleri yükseldikçe Kazanç düşürülerek devre çıkış geriliminin 5V sınırına ulaşıp doyması önlenir. Böylece dinamik aralık artırılmış olur. VGA kazancı sayısal kontrol girişleri ile ayarlanır.

Bant Genişliği

Okuma devresinin bant genişliği, algılayıcı çıkış işaret gereksinimlerine göre ayarlanır. Bant genişliği ne kadar düşük olursa, gürültü o kadar iyi filtrelenir. Bu nedenle bant genişliği gerekenden fazla olmamalıdır. Öte yandan, işaret darbe şeklinde ise, bant genişliğinin darbenin yükselme/düşme zamanını bozmayacak kadar yüksek olması gerekir. Bu durumda optimum bir bant genişliği seçilir.

Bazı algılayıcılarda faz bilgisi önemlidir ve yükselteçlerin işaret fazını bozmadan aktarması gerekir. Faz hatasının 1 derecenin altında olması için Yükselteç bant genişliğinin işaret frekansından en az 20 kat fazla olması gerekir.

Örneğin, 0,7 µm CMOS ile 1 GHz Kazanç – Bant Genişliği çarpımı olan yükselteçler tasarlanabilmektedir. Bu durumda kazancı 10 olan bir gerilim yükseltecinin 3dB bant genişliği 100 MHz olur. Daha hızlı devreler için YİTAL’in 0,25 µm CMOS teknolojisi kullanılabilir.

Kararlılık

Okuma devresi tasarımlarında dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta da yükselteçlerin kararlılığıdır. CMOS teknolojisi ile Açık-Çevrim kazançları 1000 ile 10,000 arası değişen İşlemsel Yükselteçler tasarlanmaktadır. Bu yükselteçler genel olarak geri besleme ile kullanıldığından istenmeyen salınımların oluşma riski vardır. Salınımları engellemek için yükselteçler baskın bir kondansatör kullanarak kararlı olacak bir şekilde tasarlanır. Ayrıca, özellikle çok yüksek kazancı (>100 dB) olan devrelerde giriş ve çıkışların birbirine yakın olmamasına dikkat edilir.

DC Güç Tüketimi

CMOS Teknolojisinin bir faydası da düşük güç tüketimine sahip tasarımlar yapılabilmesidir. Sayısal devrelerde MOS transistorlar herhangi bir işlem yapılmıyorsa akım çekmezler, sadece sayısal işaret değişimi anında güç harcarlar. Analog devrelerde de MOS transistorların yüksek çıkış empedansı sayesinde, yüksek kazançlar elde ederek düşük besleme akımlı tasarımlar yapmak mümkündür. Okuma devresi çıkışındaki büyük kondansatörleri sürmek için gereken yüksek akımlar da sadece işaret yükselme-düşme anlarında güç tüketimine neden olur.

Kısaca CMOS tasarımlarda, genel olarak işaret değişim anlarında anlık güç tüketimi oluşur. Sabit DC besleme güç tüketimi düşüktür, bu da pil ömrünü uzatmaktadır.