FBE- Elektronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Aksın, Devrim Yılmaz" ile FBE- Elektronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
Öge0.35 Um Yüksek Gerilim Cmos Prosesinde Giriş İşaret Aralığı Genişletilmiş 14 Bıt 1msps Sar Adc(Fen Bilimleri Enstitüsü, ) Özkaya, İlter ; Aksın, Devrim Yılmaz ; Elektronik Mühendisliği ; Electronics EngineeringBu çalışmada giriş işaret aralığı genişletilmiş, 14 bit çözünürlükte ve 1 MSps örnekleme hızında çalışan ardışıl yaklaşımlı analog sayısal çevirici gerçeklenmiştir. Giriş işaret aralığını genişletmek üzere yeni bir örnekleme tekniği önerilmiştir. Bu teknik kullanılarak gerçeklenen örnekleme anahtarı standard tümdevre gerilimi ile sürülebilmekte, fakat besleme değerinin çok üstündeki analog işaretleri örnekleyebilmektedir. Bahsedilen anahtar gerçeklenmiş ve işlerlik testlerini geçmiştir. Bu anahtar kullanılarak tasarlanan analog sayısal çeviricinin performansı benzetimlerle doğrulanmış ve pazarda bulunan ürünlerle kıyaslanmıştır. Kullanılan örnekleme tekniği sayesinde, özellikle güç tüketimi açısından büyük avantaj sağladığı görülmüştür. Tasarlanan analog sayısal çevirici için muhtemel kullanım alanları sayısal kontrollü süreç kontrol sistemleridir. Bundan başka, otomotiv ve telekom sanayiileri gibi yüksek gerilim gerektiren alanlarda da kullanılabilir.
-
ÖgeA Programmable CMOS analog vector quantizer chip(Institute of Science and Technology, 1999) Aksın, Devrim Yılmaz ; Çilingiroğlu, Uğur ; 100569 ; Electronics EngineeringKuantalama fikrinin temelleri 1898'li yıllara kadar uzanmaktadır. Kuantalayıcıların tarihsel hikayesi ve ilgili kaynakların önemli bir bölümü Robert M. GRAY ve David L. NEUHOFF'un 'Quantization' başlıklı makalesinde bulunabilir. Haberleşme teorisinde, kuantalayıcılar genellikle bir işaret sıkıştırma metodu olarak algılanmışlardır. Kuantalamanın amacı şu şekilde özetlenebilir: Belli bir olasılık yoğunluk fonksiyonu ile tanımlanmış bir kaynaktan gelen işaretlerin mümkün olan en düşük bit sayısı ile kodlamak, öyle ki bu kodun çözülmesi ile elde edilen işaret mümkün olduğu kadar yüksek kalitede olsun. Kuantalayıcıları giriş işaret vektörlerinin boyutlarına göre 2 ana kategoriye ayırmak mümkündür. Giriş işaret vektörü tek boyutlu ise kuantalayıcı 'Skalar Kuantalayıcı' olarak adlandırılır, aksi takdirde kuantalayıcı 'Vektörel Kuantalayıcı' olarak adlandırılır. Son yıllarda Vektörel Kuantalayıcılar üzerine odaklanmış çalışmaların sayısı hızla artmaktadır. Bunun ana sebebi, Shannon' in 'Rate-Distortion' teoremine göre, teorik olarak, daha iyi bir performans, her zaman, tek bir işaret yerine bir işaret bloğunun birlikte kodlanması sayesinde elde edilebilir. Vektör Kuantalamayı, m boyutlu vektör uzayı Rm'den onun bir alt kümesi olan T ye bir dönüşüm olarak tanımlayabiliriz. Q : Rm -> T Kod-kitabı (code-book) olarak adlandırılan T kümesinin içinde kuanta vektörleri vardır. Kuantalayıcı, girişindeki her bir giriş vektörüne karşı düşen kuanta vektörünü seçer. Bunu şu şekilde ifade edebiliriz: Q(x) = t, Daha sonra seçilen kuanta vektörünün Kod-kitabı içindeki indeksi kodlanarak çıkış işareti üretilir. Birinci işlem bir sınıflama işlemidir, ikincisi ise kodlama işlemidir. xvıYukarıdaki bilgilerden yararlanarak şunu belirtebiliriz ki, Vektör Kuantalayıcı tasarımı kendi içinde iki problemi barındırır. Birinci problem olasılık yoğunluk fonksiyonu belli giriş işaretleri için 'optimal' Kod-kitabının tasarlanması. Bu problemin çözümü Haberleşme Teorisinin konusudur. İkinci problem ise Kod- Kitaplığı belirlenmiş bir Vektör Kuantalayıcının optimal bir şekilde silikon üzerine aktarılmasıdır. Bu tezde ikinci problemin çözümüne ilişkin bir sistem yapısı gösterilmiş; ve sistem alt blokları ile birlikte gerçekleştirilerek silikon üzerine aktarılmıştır. Aşağıda, önerilen Programlanabilir CMOS Analog Vektör Kuantalayıcı sistemin mimari yapısı görülmektedir. P O o o Distance Block uP r t. ıı T2ı "T:ml - T- l-T, 12 22 ~Tm2 l-T, İm w I o o o. '-s Output Distance Call input T T:: X (input vector) Şekil 1 : Sistem blok Şeması {output Sistem kabaca iki ana fonksiyonel bölüme ayrılabilir, Distance ve MİNNET bloklarından oluşan birinci bölüm sınıflandırma işlemini, Encoder bloğundan oluşan ikinci bölüm ise kodlama işlemini yapar. Şemadaki Distance bloğu, Distance hücre matrisinden oluşmuştur. Matristeki her bir satırda giriş vektör boyu kadar Distance hücresi vardır ve içlerinde o satıra ilişkin kuanta vektörü saklanmaktadır. Distance hücreleri girişlerine uygulanan işaret ile içlerinde saklanan kuanta vektör elemanı arasındaki mesafeyi ölçer ve çıkışlarına aktarırlar. Matristeki satır sayısı Kod-kitabındaki kuanta vektör sayısına eşittir. Distance hücresi olarak gerçeklenen devrenin devre şeması aşağıda görünmektedir. Bu devrenin giriş işareti gerilim, çıkış işareti akımdır. Devre kuanta vektör elemanını dinamik olarak saklamaktadır. Devre, hız, rezolüsyon ve silikon alanı açılarından benzer devrelere göre çok daha avantajlı bir konumdadır. Hücre satırının çıkışında kuanta vektörü ile giriş vektörü arasındaki Euclid mesafesi ölçülür. Birim hücrenin kapladığı alan 15.8 um x 13.6um dır. Şekil 1 deki MİNNET bloğu, giriş işaretleri arasında en küçük genliğe sahip olanı seçen bir devredir. Kaybeden-Hepsini-Alır (Loser-Takes-All (LTA) ) devreleri ile gerçeklenirler. Literatürde pek çok değişik LTA yapısı önerilmiştir. Değişik devrelerin değişik avantaj ve dezavantajları vardır. Tez de bu devre ROWWTA bloğu ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 3 de ROW_WTA bloğunun şeması xvııgörülmektedir. Bu devre önce sabit bir akımdan giriş akımını (Distance bloğu satır çıkışı) çıkarır. Sabit akım her zaman giriş akımından büyük olacak şekilde seçilir. Böylece fark akımı vektörler arası mesafe kısaldıkça sabit akıma, arttıkça sıfıra doğru yaklaşır. Bu fark akımı J. Lazarro tarafından önerilmiş Kazanan-Hepsini-Alır (Winner-Takes-All (WTA)) devresine uygulanır ve böylece en büyük fark akımı yada girişe en küçük mesafedeki kuanta vektörü seçilmiş olur. Bu blok da küçük bir silikon alanı kaplamaktadır. Devrenin WTA kısmı sisteme hız ve rezolüsyon limitleri getirebilir. Bu sebeple yüksek performans gerektiren uygulamaklarda farklı WTA topolojilerinin aranması anlamlıdır. VDD N2 C2 Şekil 2 : Distance hücresinin şema gösterimi Encoder bloğu ROW_WTA bloğu tarafından seçilen kuanta vektörünün Kod-kitabı içindeki indeksinin kodlanmasından sorumludur. Uygulamada bu blok kuanta vektörünün Kod-kitabındaki adresini gösteren basit bir Kodlayıcı devresi ile gerçeklenmiştir. Bu durumda kodlamanın optimal olması için her bir kuanta vektörünün seçilme olasılığının birbirine eşit olması gereklidir. Farklı uygulamalar için farklı encoder blokları tasarlanabilir. Devre basit bir sayısal devredir. Sistem şemasında gözüken RAM ve Controller bloklarına gelince; Ram bloğu içinde Kod-kitabı saklanmaktadır. Distance bloğu içindeki değerlerin (Kod kitabının) yenilenmesi gerektiğinde bu bloktan yararlanılır. Sistem Analog bir Vektör Kuantalayıcı olduğu için ihtiyaç duyulan RAM hücre sayısı Distance bloğundaki Distance hücresi sayısı çarpı bir Distance hücresinin rezolüsyonuna eşittir. Sistemin seriminden de rahatlıkla görülebileceği üzere sistemin RAM ihtiyacı aktif alanın en büyük kısmını kaplamaktadır. Controller bloğu ise Distance bloğuna ve RAM bloğuna yazma (okuma) işlemlerinden sorumlu sayısal bloktur. Vektör kuantalayıcıyı programlamak için kullanacağımız mikroişlemci bu blok ile iletişim kurar. Basit bir sayısal kontrol devresidir ve ciddi bir silikon alanı kaplamaz. XV111VDD L|M3 16.5/5.5^ vdn | <0- OUT,Bn 10/0.6 M 4 1^10/0.6 3d d lioil V, 2/1 0 vd fi rid; Vbıos MS <0- Ml lyl6 Vkuy -y 0.6 5.5/5.5 nd T Şekil3 : ROWWTA bloğunun şema gösterimi Vektör kuantalayıcı sisteminin içinde sistemin analog olmasından kaynaklanan ve şemada gösterilmeyen iki blok daha vardır Bunlar, Distance bloğu içindeki hücrelerin giriş işaretlerini üreten giriş kuvvetlendiricisi (IN_AMP) bloğu ve Sayısal Analog dönüştürücü (D AC) bloğudur. Bu bloklar RAM bloğu gibi çok alan kullanan bloklardır. Ve sistemin hız limitini belirlerler. Sistemin rezolüsyon sınırı DCELL, ROW_WTA ve IN_AMP blokları tarafından belirlenir. Sistem içindeki her bir bloğun tasarım prosedürleri detaylı olarak tez içinde anlatılmıştır. Şimdi sistemin yerleşimini ve çalışma prensibini kısaca anlatalım. Sistemde Kod-Kitabının yazıldığı bir RAM bloğu bulunmaktadır. RAM bloğunun kelime sayısı Kod-Kitabmdaki kuanta vektörlerinin sayısı kadar, kelimelerin uzunluğu ise vektör uzunluğu çarpı bir vektör elemanının rezolüsyonu kadardır. Sistemdeki DAC bloklarının rezolüsyonu da gene bir vektör elemanının rezolüsyonu (m) kadardır. Analog işaretler üzerinden çalıştığımız için RAM bloğunun data bus'ı (m) bitlik gruplar halinde kuanta vektör elemanlarının her birini oluşturmak üzere DAC bloklarının giriş kelime hattına bağlanır. Sistemde bulunan Distance hücre matrisindeki satır sayısı da Kod-Kitabındaki kuanta vektörlerinin sayısı kadardır. Matrisin her satırında Kod-Kitabındaki farklı bir kuanta vektörü her bir vektör elemanı bir distance hücresine gelecek şekilde saklanır. Böylece matristeki kolon sayısı vektör eleman sayısına eşit olur. Giriş vektör elemanları Distance hücre matrisine kolonlardan uygulanır. Böylece aynı kolondaki iki hücre aynı giriş vektör elemanı ile uyarılmış olur. Doğal olarak farklı iki satırda bulunan aynı kolona ait 2 ayrı Distance hücresi, içinde farklı kuanta vektör elemanı saklanmışsa, hücre çıkışlarının ait oldukları satır çıkışlarına etkileri de farklı olacaktır. Daha önce belirtildiği üzere, kuanta vektör elemanları Distance xıxhücrelerinde dinamik olarak saklanmaktadırlar. Bu sebeple periyodik olarak yenilenmeleri (refresh) gerekmektedir. Kuanta vektör elemanları yenilenirken de işaretler gene matris kolonlarından uygulanırlar. Bu sebeple yenileme işlemi boyunca matris satırları ardışık olarak aktif hale getirilmelidirler. Matris kolon işaretleri INAMP bloğu tarafından oluşturulur. Bunun sebebi, DCELL bloğu normal çalışabilmek için giriş işaretinin hem kendisine, hem de evriğine aynı anda ihtiyaç duymaktadır. Doğal olarak Distance hücre matrisindeki her bir kolon için bir INAMP bloğunun kullanılması gerekmektedir. Bloğun iki ayrı girişi vardır birinci giriş yenileme işlemi sırasında IN_AMP bloğunun sürdüğü kolona bağlanması gereken DAC bloğunun çıkışına bağlıdır; ikinci giriş ise sürülen bloğa ilişkin giriş vektör elemanına bağlıdır. Blok yenileme süresi boyunca DAC çıkışlarını, operasyon süresi boyunca da giriş vektör elemanını kullanarak Kolon işaretlerini üretir. Yenileme süreci şu şekilde özetlenebilir: Microprocessor tarafından belirlenen bir zamanın sonunda Controller bloğu RAM bloğuna gerekli kontrol işaretlerini göndererek sırayla matristeki her bir Analog Kuanta vektörünün DAC çıkışlarında oluşmasını sağlar. Bu süreç boyunca INAMP bloklarına gönderilen kontrol işareti ile bu blokların giriş işareti olarak DAC çıkışlarını alması sağlanır. Matrisin her bir satırı içindeki Distance hücreleri, kendilerine ilişkin Kuanta vektör elemanları girişlerinde belirdiği anda aktive edilerek, ilgili vektör elemanlarının hücre içine yazılması sağlanır. Böylece bütün satırlar yazıldıktan sonra normal işleme geçilir. Normal işlem süresince IN_AMP blokları giriş vektör elemanlarını işlerler. Normal operasyon boyunca, giriş işaretleri değiştikçe, matris kolon işaretleri değişir. Dolayısıyla ilgili hücrelerin çıkış işaretleri (giriş ve kuanta vektörleri arasındaki mesafeler) değişir. Ve bu işaretlere göre de sınıflama ve kodlama işlemi sürekli olarak yapılır. Sistemin yapısı, onun Kohonen Self-Organizing Feauture Map haline getirilmesine uygundur. Yapılması gereken sadece çıkış işaretlerinin bir microprosessör tarafından değerlendirilip yeni kuanta vektörlerinin Controller bloğu vasıtası ile Kod-Kitabına (RAM) yazılmasıdır. Vektör Kuantalayıcı sisteminin serimi tez içinde bulunabilir. Sistemde 79 adet PAD bulunmaktadır. Bunların dağılımı şu şekildedir : 6 tane sayısal çıkış padi Encoder block çıkışı için, 20 tane analog pad giriş vektörünün uygulanması için, 8 tane analog pad Analog kutuplama işaretleri için 8 tane bi-directional sayısal pad microprossesör data busı için, 10 tane sayısal giriş padi microprossesör adres busı için, 3 tane sayısal giriş padi microprossesör kontrol işaretleri için, 2 tane sayısal giriş padi sistem saat ve reset işaretleri için, XX4 çifti analog 7 çifti sayısal olmak üzere besleme padleri. Bonding padler ile birlikte tüm sistem alanı 4.1 mm x 3.7mm (15.17 mm2) kadardır. Kod-kitabının büyüklüğü göz önüne alındığında bu gerçekten küçük bir alandır. Üstelik kuantalama işlemini yapan Distance blok, MİNNET (ROWWTA bloklarının oluşturdukları kolon) ve Encoder bloklarının kapladığı alan sistem alanının %3'den azdır. Toplam aktif alanın %70 kadarı RAM bloğu tarafından kapanır. Geri kalan %27 ise DAC, IN_AMP ve sayısal bloklar tarafından paylaşılır.