Tez No İndirme Tez Künye Durumu
556408
A high linearity s-band cryogenic low noise amplifier using 180 nm CMOS technology for space applications / Uzay uygulamaları için 180 nm CMOS teknolojisiyle gerçeklenmiş yüksek doğrusallı kriyojenik s-bant düşük gürültülü kuvvetlendirici
Yazar:ALİCAN ÇAĞLAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BERKE YELTEN
Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Konu:Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin:
Onaylandı
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
88 s.
Son yıllarda artan uzay araştırmaları sebebiyle uzayın zorlu şartlarına dayanıklı elektronik devrelere olan ihtiyaç artmaktadır. Bu zorlu şartlar, başlıca uzayda mevcut olan yüksek radyasyon ve düşük sıcaklıklardır. Bu sebeple, uzay uygulamaları için elektronik devrelerin özellikle radyasyona karşı dayanıklılığı ve soğuktaki performansları incelenmektedir. Uzayda elektronik devreler yaklaşık olarak 100 krad toplam iyonlaştırıcı doza (total ionization dose, TID) maruz kalmaktadırlar ve Güneş'e en uzak olan gezegen Pluton'daki sıcaklık 39 K seviyelerine düşebilmektedir. Elektronik elemanların piyasada kriyojenik sıcaklıklar için mevcut modellerinin olmaması sebebiyle literatürde bu konuda önemli birçok çalışma bulunmaktadır. Buna rağmen, kriyojenik devrelerin büyük çoğunluğu halen standart devre modelleri kullanılarak tasarlanmaktadır. Uzay uygulamalarına ek olarak, kuantum bilgisayarlardaki gelişmeler de kriyojenik devrelere olan ihtiyaç ve ilgiyi arttırmıştır. Günümüzdeki mevcut kuantum bilgisayarları mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışabilmektedir. Dolayısıyla, entegre bir yapı oluşturmak amacıyla kuantum bilgisayarlarda kullanılan elektronik devreler de kriyojenik sıcaklıklarda çalıştırılmaktadır. Uzay uygulamaları için devre tasarımlarında radyasyona dayanıklı ve çok iyi RF özelliklerine sahip olmaları sebebiyle genelde yüksek elektron mobiliteli transistör (high electron mobility transistor, HEMT) ve heterojonksiyon bipolar transistör (heterojunction bipolar transistor, HBT) teknolojileri kullanılmıştır. Ancak bütünleyici metal oksit yarıiletken (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) teknolojilerinin son yıllarda boyutlarının hızla küçülmesiyle performansları da büyük ölçüde iyileşmiştir ve radyasyona olan dayanıklılıkları artmıştır. Ayrıca CMOS teknolojisinin diğer teknolojilere göre daha ucuz olması ve çok geniş ölçekli entegre devre tasarımına olanak vermesi nedeniyle uzay ve kriyojenik uygulamalarda CMOS devrelerin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Bu tez TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) 1001 "Uzay Araştırmaları için Analog ve Radyo Frekansı Metal–Oksit–Yarıiletken–Alan–Etkili–Transistör (MOSFET) Modellemesi ve Tümleşik Devre Tasarımı" projesinin bir parçasıdır. Bu tezin temel amacı 180 nm UMC CMOS Mixed-Mode/RF teknolojisini kullanarak, uzay uygulamaları için S bandında (2 GHz) çalışacak bir düşük gürültülü kuvvetlendiricinin tasarlanması ve tasarlanan kuvvetlendiricinin kriyojenik ortamda ve radyasyona maruz kaldıktan sonra performansının ölçülmesidir. Uzay uygulamaları için ayrılan S bandındaki frekans aralığı (2.025 GHz - 2.12 GHz), kuvvetlendiricinin çalışma frekansı olarak belirlenmiştir. Kriyojenik sıcaklıkta ve radyasyona maruz kaldıktan sonra kuvvetlendirici metriklerindeki değişimleri kolayca analiz edebilmek için devre topolojisi olarak tek katlı kaskod yapısı seçilmiştir. Mevcut kriyojenik kompakt transistör modeli olmaması sebebiyle düşük gürültülü kuvvetlendirici standart transistör modelleriyle oda sıcaklığına göre tasarlanmıştır. Fakat daha önce yayınlanmış çalışmalardaki transistörün kriyojenik sıcaklıklardaki davranışları incelenerek kuvvetlendiricinin DC kutuplama noktaları bu çalışmalardaki verilerden faydalanarak seçilmiştir. Ayrıca literatürdeki kriyojenik düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin düşük sıcaklıklardaki performansları incelenmiş olup kuvvetlendirici metriklerinin soğuktaki değişimleri hakkında bilgi elde edilmiştir. Birçok çalışmada gösterildiği gibi soğukta düşük gürültülü kuvvetlendiricilerin kazancı, yük taşıyıcısının mobilitesi arttığı için artmaktadır. Aynı zamanda, termal enerjinin düşmesiyle kuvvetlendiricilerin gürültü katsayısı da (noise figure, NF) önemli ölçüde azalmaktadır. Bunun yanında, kriyojenik sıcaklıklarda kuvvetlendiricilerin doğrulsallığıyla ilgili yeteri bilgi bulunmamaktadır. şuana kadar sadece bir çalışma, kriyojenik düşük gürültülü kuvvetlendiricinin doğrusallığının hem kriyojenik hem de oda sıcaklığındaki ölçüm sonucunu sunmaktadır. Bu sonuçlara göre, soğukta kuvvetlendirici doğrusallığı azalmaktadır. Bu değişim, esas olarak kazancın çok fazla artmasına dayandırılmıştır. Fakat şimdiye kadar doğrusallık ile ilgili herhangi bir analiz yapılmamıştır. Literatürdeki bu boşluk sebebiyle bu tez içerisinde bu konuya odaklanılmıştır. Bu tezde tek katlı bir kaskod kuvvetlendiricisinin doğrusallık analizi yapılmıştır. Oda sıcaklığına göre tasarımı yapılan düşük gürültülü kaskod kuvvetlendiricilerin, kriyojenik sıcaklıklarda kazancı artarken doğrusallık performansını korumasını sağlayacak bir tasarım yöntemi sunulmuştur. TÜBİTAK projesi kapsamında kriyojenik ölçümler için sıcaklık olarak 77 K (Sıvı azot sıcaklığı) seçilmiştir. Kriyojenik sıcaklıkta gürültü katsayısı ölçümünde yüksek doğruluk için kriyojenik zayıflatıcı yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntemin kullanılabilmesi için test edilecek tasarımın bir devre kartı üzerine lehimlenmesi gerekmektedir. Bu, tasarlanan çipin paketlenmesi anlamına gelmektedir. çipin paketlenmesi, aynı zamanda empedans uyumlama devresini ayrık elemanlarla gerçekleme imkanı vermektedir. Bu sayede giriş ve çıkış empedans uyumu uygun ayrık elemanlar seçilerek deneysel olarak hem oda sıcaklığında hem de 77 K'de sağlanmıştır. Bu yöntemle birlikte 77 K'de giriş ve çıkış yansıma kayıpları yüksek tutularak empedans uyumsuzluğunun doğrusallık ve kazanç gibi diğer metrikleri kötüleştirmesinin önüne geçilmiştir. Tasarımda, UMC 180 nm kütüphanesindeki RF transistörler kullanılmıştır. Bu transistörlerin serimleri en az parazit kapasite ve direnç içerecek şekilde düzenlenmiş olarak teknoloji kütüphanesinde hazır bir şekilde tasarımcıya sunulmuştur. Buna ek olarak, bu transistörlerin etrafında bir koruma halkası (Guard ring) bulunmaktadır. önceki yapılan çalışmalar radyasyondan kaynaklanan bozulmaların koruma halkaları sayesinde önemli ölçüde azaltıldığını göstermiştir. Tasarlanan kuvvetlendiricinin 300 K'deki kazancı, gürültü katsayısı ve üçüncü dereceden giriş kesişim noktası (third-order input intercept point, IIP3) sırasıyla 15.5 dB, 1.6 dB ve 2.1 dBm'dir. 77 K'deki ölçüm sonuçlarına göre kuvvetlendiricinin kazancı, gürültü katsayısı ve üçüncü dereceden giriş kesişim noktası sırasıyla 18 dB, 0.5 dB ve 3.4 dBm'dir. Hem 300 K'de hem de 77 K'de giriş ve çıkış yansıma kayıpları 10 dB'den fazladır ve güç tüketimi 15 mW'dır. Bu sonuçlara göre kuvvetlendiricinin bütün metrikleri 77 K'de iyileşmiştir. Kriyojenik gürültü katsayısı ölçümünün detaylı doğruluk analizi yapılmıştır. Tasarlanan kuvvetlendirici 650 krad toplam iyonlaştırma dozu (total ionization dose, TID) ile gamma ışınım testine sokulmuştur. Işınım testinden sonra oda sıcaklığında yapılan testler sonucu kuvvetlendiricinin RF performanslarında herhangi bir değişim gözlemlenmemiştir ve koruma halkalarının 180 nm CMOS teknolojisi için 650 krad'a kadar yeterli korumayı sağladığı sonucuna varılmıştır.
Cryogenic circuit design has recently been a focus of research due to multiple fast-developing low-temperature applications. In space electronics, sensors and communication circuits should operate at temperatures below 100 K due to harsh ambient conditions. Furthermore, in order to increase the sensitivity, cryogenic cooling of the receiver front-end is commonly used in infrared sensors and bio-molecular detectors, with which the contribution of the thermal noise is reduced. Finally, circuits for quantum computing should be designed to work below 20 K so that they can interact with quantum bits that are held under 1 K to leverage maximum processing power within their coherence time. Many cryogenic low noise amplifiers (LNAs) that have been designed using different device technologies exist in literature. However, the performance of CMOS LNAs at cryogenic temperatures has not been sufficiently reported. Cryogenic CMOS circuits have been recently of particular interest due to their improved analog, radio frequency, and digital design performance at short channel lengths and low cost of fabrication in comparison to competing device technologies such as heterojunction-bipolar-transistors (HBT), and silicon-on-insulator transistors (SOI). Typically, CMOS LNA gain tends to increase at low temperatures due to higher carrier mobility and the noise figure (NF) decreases mostly proportional to the decline in temperature. Nevertheless, a corresponding increase in the threshold voltage and the pronounced impact of layout mismatches complicate the design process. Among the relevant work to cryogenic LNAs in general, only one paper presents IIP3 performance at room and cryogenic temperatures with measurement results, where it is stated that IIP3 degrades as the temperature drops. Nevertheless, the LNA is driven by a three-stage amplifier. The total linearity depends on the gain performance of other stages; therefore, it is difficult to deduce the actual linearity performance of the LNA at cryogenic temperatures. The novelty of this work resides in the linearity analysis and improvement of a cryogenic cascode LNA using the linearity theory for the first time. The classical LNA design methodology is based on simultaneous input and noise matching thereby optimizing the linearity by proper sizing of transistors. This methodology has been modified to accommodate cryogenic conditions thereby retaining IIP3 performance characteristics. An LNA design using this methodology is implemented in 180 nm CMOS technology and demonstrated at 77 K, which corresponds to the liquid nitrogen temperature. Temperature minimums across space can vary significantly ranging from 39 K near Pluto to 153 K near Mars. In this work, it is assumed that 77 K would cover most of the critical applications involving space electronics. Matching circuits of the LNA have been designed off-chip. As a result, precise impedance matching, which is required for reliable measurement results, has been experimentally achieved at both cryogenic and room temperatures. Also, appropriate DC operating points, which satisfy almost the same current density at both 77 K and 297 K, have been chosen so that any impedance matching degradation and current density reduction as well as their impact on the linearity of the LNA at 77 K are mitigated. One of the key challenges in the design of circuits for space applications is the ionizing radiation damage. In that regard, the LNA here designed with standard RF CMOS transistors has been irradiated by gamma rays with a total dose of 650 krad. Post-irradiation measurement results show that the performance of the LNA is not susceptible to gamma radiation.