Layout Techniques For Analog Building Blocks And Application To An Adaptive Output Buck Converter

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016Otuz yılda teknolojinin gelişmesi ile hayatımız değişmiş, teknoloji büyük yer kaplamaya başlamıştır. Bunun arkasında tümdevre tasarımı ve üretimi önemli bir yer kaplamaktadır. On sekiz ayda bir tümdevrenin boyunun yarıya inmesi veya işlem gücünün iki katına çıkması mottosu gelişimi hızlıandırmıştır. Tümdevrelerin temel yapı taşı olan yongalar bu harekete ayak uydurma adına giderek küçülmekte veya bir yonganın tek başına gerçekleştirdiği işlem yapabilme kabiliyeti artmaktadır. Yonga tasarımı temelinde analog tasarım, sayısal tasarım ve serim içermektedir. Bunlar ayrı ayrı gibi gözüksede bir yonga içinde bunları barındarmaktadır. Analog tasarım ve sayısal tasarım bilgisayar destekli tasarım programları ile simülasyonları yapılmakta ve yapılan tasarım doğrulanmaktadır. Daha sonra bu tasarımların yonga içerisinde yerleştirilmesi, farklı amaç için tasarlanmış devreler daha sonra birbirleri ile gerekli bağlantıların yapılması suretiyle, uygulamanın ihtiyaç duyduğu belli bir amaca sahip yonga üretilmektedir. Devrelerin, transistörlerin ve diğer yapıların yerleştirilmesi, birbirleri ile gerekli bağlantılarının yapılması noktasında serim denmektedir. Analog ve sayısal tasarımlarda kullanılan transistor boyutu küçüldükçe tasarlanan devrelerde yaşanabilecek sorunlar artmaktadır. Özellikle kullanılan transistör, direnç ve kapasitörlerin boyutu küçüldükçe üretiminde kaynaklanabilecek ve serim aşamasında sorun yaratma durumları artmaktadır. Günümüzde eğilim teknolojik ürünlerin düşük çalışma enerji özellikleri ile batarya ömrünün uzun olması yönündedir. Bunun olmasını sağlayan unsurlardan biri yongaların düşük enerji tüketmesi için ihtiyaç duydugu gerilim ve akım değerlerinin azaltılması, diğer unsur ise bataryaların teknolojisi geliştirilip aynı boyutlarda daha yüksek enerji depolanmasıdır. Yongaların ihtiyaç duyduğu düşük gerilim değerlerini bataryanın sağladığı gerilim değeri ile sağlamak mümkün değildir. Çünkü bataryanın enerjisi azaldıkça, sağladığı gerilim değeri ihtiyaç duyulan sabit gerilim sağlayamamaktadır. Bu nedenle güç yönetimi yongaları kullanılmaktadır. İçinde bulundurduğu elemanlar ile bataryadan aldığı gerilim ve akım değerlerini düzenleyip, sistemde bulunan her yonganın ihtiyaç duyduğu, her yongaya özel gerilim ve akım değerlerini sağlayarak sisteme iletmektedir. Güç yönetimi yongası içinde kullanılan en önemli elemalardan biri çıkış alçaltıcı dönüştürücü elemanıdır. Bu elemanın amacı, bataryadan gelen değişken gerilim değerini, gerekli gerilim ve akım değerine regüle ederek ve bunu yaparkan verimlilik yani enerji kaybını en az seviyede tutarak yapan elemandır. Günümüzde çıkış alçaltıcı dönüştürücü elemanlarının verimlilik değeri %95 ler civarındadır. Bu sayede gerilim ve akım regüle edilirken enerji seviyesi en az seviyede tutulmaktadır. Tezin amacı, çıkış alçaltıcı dönüştürücü elemanına serim teknikleri bakımından incelenmesi ve uygulanınca daha iyi sonuçlar veren serim teknik ve özelliklerine odaklanmıştır. Tezin giriş kısmından sonra ikinci bölümünde transistörün üretim aşamaları anlatılmıştır. Daha sonra endüstride yaygın olarak kullanılan N katkılı transistör ve P katkılı transistörlerin birlikte kullanıldıgı birbirini tamamlayan metal oksit yarı-iletken üretim teknolojisi detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Üçüncü bölümde en temel serim yapıları aktarılmıştır. N katkılı transistor, P katkılı transistörlerin serim yapıları ve özellikleri gösterilmiştir. Sonrasında diyot yapısının serimi anlatıldı, çift kutuplu transistör yapısı gösterildi. Tasarlanan yongalarda kullanılan direnç yapısı ve direnç çeşitleri aktarıldı. Aynı şekilde kullanılan kapasite çeşitleri, birbirlerine göre üstünlükleri şekiller yardımıyla detaylı bir şekilde anlatıldı. Transistörleri, yarı-iletken olmayan elemanları ve devrelerin bağlanması için kullanılan metallerin kullanım sonucu aşınarak düşük dirençli olması istenirken, iç direncinin artmasi durumu anlatıldı. Fiziksel etkilerin buna neden olması durumları açıklanmistir. Tasarlanan devrelerin tasarlanma durumlarına göre yüksek gürültülü olma durumunun izolasyon teknikleri ile nasıl birbirlerin ayrılabileceği detaylı bir şekilde açıklandı. Bu izolasyon yapıları üretimde özel teknikler ile sağlanabildiği yapılar ile serim aşamasında uygulanabilecek izolasyon stratejileri anlatılmistir. Beşinci bölümde serimden kaynaklanabilecek sorunlar detaylı bir şekilde açıklandı. Doğru yaklaşım yapılmamış bir serimin bütün yongayı ve dolayısıyla tümdevreyi yakma durumu anlatıldı. Sorunlarında bir diğeri N katkılı transistörlerin ve P katkılı transistörlerin birbirlerine fazla yakın yerleştirmesi sonucu iki yapınında analog tasarımda yapılan simülasyondaki modelinden çok daha farklı davranma durumu anlatıldı. Bu olası sorunların serim aşamasında nasıl dikkate alınması gerektiği, analizinin nasıl ve hangi temelle yapılması gerektiği dolayısıyla bu sorunların çözümleri gösterilmistir. Devre tasarımında yapılan simülasyon ile serimde yongaya konan transistörlerin aynı gerilim, akım davranışlarının sergilememesi durumu anlatıldı. Bunu nedenleri detaylı bir şekilde verildi. Çözüm olarak farklı serim teknikleri ve bunların avantajları, serime dolayısıyla devreye etkileri açıklandı. En önemli etmenin birbirleri ile belirli bir hassaslık derecesine sahip olması gereken tasarımlarım serim teknikleri, yerleştirme stratejisi, serimde birim eleman kullanmanın yarattığı iyileştirme, serimde transistörlerin kenarlarına konulan fazla transistörlerin birbirleriyle hassaslık gerektiren tranistör yapılarında yarattığı iyileştirme etkileri detaylı ve açıklayıcı bir şekilde anlatıldı. Metal bağlantılarda uygulanabilecek simetrinin avantajları gösterildi. Transistörlerin simetrik yerleştirilme şekilleri ve bu yerleştirme çeşitlerinin birbirlerine göre üstünlükleri anlatılmistir. Yedinci bölümde, önceki bölümlerde anlatılan tüm yapıların, stratejilerin, göz önüne alınması gereken durumların hepsi dikkate alınarak ve alçaltıcı dönüştürücü yonga tasarımında uygulanması detaylı bir şekilde anlatıldı. Alçaltıcı dönüştürücü tasarımının sahip oldugu alt analog devrelerin seriminin yapılış figürlerle ve açıklayıcı anlatımla aktarılmıştır. Alçaltıcı dönüştürücünün en önemli yapı elemanı olan ve alçaltıcı dönüştürücünün mantığı olan yüksek akım sağlamayı sağlayan bu devre, serimi ve üzerine gerekli metallerin konmasından sonra yapılan 3 boyutlu direnç çıkarımı ve analizi yapan program ile analiz yapıldı. Bu programın görsel avantajı resimlerle detaylı bir şekilde aktarıldı. Bu programın transistör modeli arassındaki yaklaşım farkı örneklerle gösterildi. Alçaltıcı dönüştürücü üzerinde geçen yüksek akımın davranış özellikleri de anlatılmistir. Son olarak serimi yapılmış alçaltıcı dönüştücü resimlerle gösterildi, yonga içerisinde kapladığı alan hesaplandı ve kullanılan transistörün yapıiçi direnci üzerine eklenen metallerin yarattıgı fazladan direnç değeri 3 boyutlu direnç çıkarım programı sayesinde bulunarak alçaltıcı dönüştürücünün üretildiğinde sahip olacağı toplam direnç bulundu. Tezin daha ileriye götürülebilmesi adına yapılabilecek adımlar hakkında bilgi verilmiştir.Integrated circuits (ICs) have become an essential part of our daily lives. Different kind of chips called Application Specific Standart Product (ASSP) is being used in specific part of a system. Chip creation contains analog, digital and layout designs. Each design step is important to succesfully fabricate desired chips. There is a need for power management circuitry in ICs, in order to power each and every device. Today's trend of mobile technology increases the need of power management. LDOs, DC-DC converter or buck converter and buck-boost converters must be utilized. Inside ICs, power management circuit design is an active research area and there are many publications in the literature about this topic. This thesis focuses on basic layout, layout strategies and layout of buck converter. This thesis is organized as follow. In chapter 1, the fabrication process of. MOSFET devices are explained. Then basic layout structures are described in detail, starting from CMOS layout structures to diode, BJT layout and layout of passive components. Isolation structures are explained in chapter 4. These isolations are both contain process related isolation and layout design isolations. Issues coming from layout are given in detail in chapter 5 which affects block performance significantly. Layout matching is explained and demonstrated in chapter 6. These layout structures and strategies are very important in layout design. In chapter 7, analog blocks of adaptive output buck converter is explained in detail. The layout designs are analysed in detail to show what kind of layout structure is used. Most important part of buck converter is the pass device which is explained in detail with layouts. Resistive extraction tool is used to extract metallization resistance for spotting the weak parts in pass device metal structure. Moreover, this tool gives the total on resistance of pass device which can be given feedback to analog designer to modify their buck converter simulations. Total laid out pass device area is 800µ x 650µ while total buck converter design occupies 800µ x 940µ. Buck converter is designed in a 0.25µ process with 1 poly 5 metal process.Yüksek LisansM.Sc