Yükselme Eğimi Kontrollü Farksal Çıkış Sürücüsü Tasarımı

Abstract

on yirmi yıl içerisinde, üretim teknolojilerinin geli ̧smesiyle elektronik sistemlerdeki tümdevre kullanım alanları giderek artmı ̧stır. Buna ek olarak, geli ̧sen üretim teknolojileri, tümdevre boyutlarının küçülmesine ve tümdevrelerde bulunan sayısal blokların yüksek hızlarda anahtarlanabilmesine sebep olmu ̧stur. Anahtarlama i ̧slemleri her ne kadar sayısal devrelerde gerçekle ̧stirilse de, e ̧szamanlı anahtarlama i ̧slemleri tümdevrenin sayısal ve analog bloklarının performansına etki edebilecek s ̧ ekilde gürültü ortaya çıkarmaktadır. Bu gürültü e ̧szamanlı anahtarlama gürültüsü veya endüktif gürültü olarak adlandırılmaktadır. Gürültünün sebebi, kırmık üzerindeki ba ̆galama noktaları ile buna e ̧sde ̆ger dü ̧sen paket üzerindeki ba ̆glama noktaları arasında gerçekle ̧stirilen ba ̆glama hatlarıdır. Bu hatların uzunlu ̆gu 2mm ile 5mm arasında de ̆gi ̧smekte ve elektriksel olarak endüktans olarak davranmaktadırlar. E ̧szamanlı anahtarlama gürültüsü, anahtarlama olayının frekansı ve çıkı ̧s yüküne basılacak olan akım miktarına ba ̆glı olarak artmaktadır. Bu sebeple, e ̧szamanlı anahtarlama gürültüsünün en baskın oldu ̆gu sistemler çıkı ̧s sürücülerinin bulundu ̆gu sistemlerdir. Çıkı ̧s sürücüleri, alıcı tarafında bulunan yük empedansını sürebilmek için kullanılmaktadır. Alıcı katınını giri ̧sinde bulunan yüksek empedansı genellikle dü ̧sük de ̆gerli bir empedans olmaktadır. Dü ̧sük de ̆gerli yük empedansı üzerinde istenlien gerilim salınımı sa ̆glayabilmek 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 oldu ̆gu sistemlerde, örne ̆gin analog-sayısal çeviriciler, sayısal-analog çeviriciler, sensörler v.b. blokların bulundu ̆gu sistemlerde, sistem içerisinde olu ̧san e ̧szamanlı anahtarlama gürültüsü çıkı ̧s i ̧saretlerinde 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 ko ̧sulları için istenilen etkiyi yaratamamaktadır. Buna ek olarak, önerilen bu yapılar endüktif yükleri sürebilecek s ̧ ekilde optimize edilmemi ̧slerdir. Endüktif yükler, endüstri ve otomotiv alanlarında yaygın bir s ̧ ekilde kullanılmaktadır. Bu yükler, entegre devre dı ̧sında gerçeklendi ̆gi için çok yüksek kalite faktörlerine sahiptirler. Ayrıca bu entegre dı ̧sından gerçeklenen endüktansların de ̆gerleri mH'lere kadar varmaktadır. Bunların sonucu olarak, endüktif yükler hızlı akım de ̆gi ̧siklikleri ile sürüldü ̆gü takdirde, çıkı ̧s i ̧saretlerinde yüksek zaman sabitli ve yüksek genlikli çınlamalara sebep olabilmektedir. Bu çınlamalar çıkı ̧s i ̧saretlerinin bozulmasına sebep olmakla birlikte, devrede bulunan aktif devrelere kalıcı zarar verebilecek seviyelere kadar çıkabilmektedir. Bu çalı ̧sma kapsamında, dü ̧sük empedanslı yükleri kontrollu bir s ̧ ekilde sürebilmek için bir çıkı ̧s sürücüsü yapısı ele alınmı ̧stır. Devrenin olu ̧sturaca ̆gı anahtarlama gürültüsünü azaltabilmek amacıyla yükselme e ̆gimi kontrol sistemi devreye ek- lenmi ̧stir. Yükselme e ̆gimi kontrol sistemi, gecikme hücreleriyle kontrol edilen anahtarlar ile gerçeklenmi ̧stir. Bu anahtarlar ile belirli zaman dilimlerinde belirli akım kaynakları aktive edilmi ̧stir. Böylelikle çıkı ̧s i ̧saretinde sabit yükselme e ̆gimi elde edilmi ̧stir. Çıkı ̧s i ̧saretlerinin lineerli ̆gini iyile ̧stirebilmek için genlik kontrol sistemi kullanılmı ̧stır. Genlik kontrol sistemi çıkı ̧s i ̧saretinin belirli bir de ̆geri 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 çıkı ̧s i ̧saret seviyesindeki de ̆gi ̧simler, i ̧saretin yükselme e ̆gimine 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 e ̆gimine 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 aralı ̆gında 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 s ̧ ekilde 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 edilmi ̧stir. Buna ra ̆gmen 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 tasarlanmı ̧s ve üretilmi ̧stir. Devrede kullanılan yüksek gerilim dayanımlı transistörlerin savak kırılma gerilimleri 10 V olarak verilmi ̧stir. Önerilen devre, literatürde önerilmi ̧s olan devrelerden, genlik kontrolü ve e ̆gim kontrolünün birbirine entegre çalı ̧sması, endüktif yükleri sürebilmesi ve -55° ile 125°C aralı ̆gında sabit yükselme e ̆gimine sahip olması ile ayrılmaktadır. Tasarlanan devrenin tipik ko ̧sullar 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 ba ̆gımsızdır. Her bir sürücü devresinin referans akım ve gerilim üretçeleri de birbirinden ba ̆gımsızdır. Tasarlanan devre tipik simulasyon ko ̧sullarında 8 Ω'luk yük sürerken, yükselme e ̆giminin de ̆geri 8 V / μs olmaktadır. Aynı ko ̧sullar altında yapılan serim sonrası simulasyonlarda yükselme süresi de ̆geri7.6 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 e ̆gimi 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 de ̆gi ̧sti ̆gi gözlemlenmi ̧stir. 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 modülerli ̆gi sayesinde herhangi bir sisteme ufak de ̆gi ̧siklikler ile adapte edilmesi mümkündür.

In the last two decades, usage area of integrated circuits have been gradually increased with the developments in the process technology. Moreover, Due to developments in process technology, the area of integrated circuit is reduced and digital blocks has been able to switch at high speeds. Although the switching activities is performed in the digital blocks of the integrated circuit, these activities may reveal an undesired noise which effects the performance of both analog and digital blocks in the integrated circuits. This noise is called as a simultaneous switching noise or inductive noise. The simultaneous switching noise increases depending on the frequency of switching activity and the amount of a current which sourced to a load. Various techniques is proposed to solve this phenomena up to the present. However, the proposed circuits provides solution for specific application and they can not create the desired effect for different load types. For instance, inductive loads cause an voltage spikes at the output signals when they are driven by a rapid current changes. This ringings reveal an distortion at the output signals, even they may reach the voltage levels which cause an permanent damage to the circuit In this study, an output driver structure, which is capable to drive low impedance load in a controlled manner, is discussed. The sensitivity to the simultaneous switching noise is reduced by adding a slew rate and amplitude control system to the circuit. Moreover, the circuit is optimized to drive inductive loads which is common element in the industrial applications. Proposed output driver is implemented with XFAB's 0.35 μm CMOS process with high voltage option. Drain terminal breakdown voltage of high voltage transistors is 10 V. Designed circuit consumes 52.8 mW in the high power mode and 33 mW in lower mode under typical conditions. These values does not represents the power which is transferred to the load. The current transferred to the load is maximum 200 mA in the high power mode and maximum 100 mA in the low power mode. Total area of the chip is 2x2.45 mm 2 and it consists two output drivers which are independent from each other.