Günümüzde, elektronik sistemlerin hızla büyüyerek çok daha karmaşık bir duruma gelmeleri ile birlikte, kısıtlı enerji kaynaklarını kullanma zorunluluğu, kullanılan enerjinin en aza indirilerek tasarım boyutlarının küçültülmesi kavramlarını gündeme getirmiştir. 1950'li yıllarda transistörün, 1960'lı yıllarda da tümleşik devrelerin dünyaya tanıtılması ile boyutsal küçültme çalışmaları hız kazanmıştır. 1970'li yıllarda da MOS (Metal Oxide Semiconductor) teknolojinin yaygın kullanımı ile tüketilen enerji miktarında azalmalar başlamıştır.

Yukarda anılan gelişmelerle elde edilen sonuçlar, kısa sürede uygulama alanı bularak standart ürünlerin piyasaya sürülmesi sağlanmıştır. Ne var ki yapılan tasarımların gün geçtikçe büyümesi ve karmaşık bir durum alması, piyasada bulunan geleneksel mantık tümdevrelerinin kullanımını zorlaştırmış ve hatta kimi noktalarda olanaksız duruma getirmiştir. Bu gerçekle yüzyüze gelen tasarımcılar, gereksinimleri doğrultusunda, kendi tasarımları olan tüm devreleri oluşturabilmek için harekete geçmiştir. Böylelikle, elektronik dünyasına ASIC (Application Specific Integrated Circuit-Uygulamaya Özgü Tümdevre) kavramı girmiştir.

Bugün ulaşılan teknolojik noktada ASIC, küçük boyutları, düşük üretim maliyeti ve enerji tüketimi ile sağladığı üstünlüklere, sayısal ve analog işlevleri aynı yonga üzerinde birleştirerek bir yenisini daha eklemiştir. Öte yandan tasarımlara getirdiği gizlilikle, rekabetin arttığı dünya koşullarında, kopyalanabilme tehlikesini de en aza indirmektedir.

 VHDL

ASIC tasarımı, varolan sistemlerin boyutlarının küçültülerek bir yonga üzerine oturtulmasının ötesinde kendine özgü kavramları ile elektronik tasarım ve üretimde yepyeni bir boyut oluşturur. ASIC tasarımının gündeme getirdiği en önemli kavramlardan biri HDL (Hardware Description Language)'dir.

Başlangıçta tasarımların simülasyonunu gerçekleştirmek amacıyla geliştirilen HDL aracılığıyla devreler ya da sistemler, alışılagelmiş şekilde grafik olarak tasarlanmak yerine, programlama dillerine benzer şekilde, yazılı olarak tanımlanır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan grafik tanımlama yöntemi, büyük ve karmaşık tasarımlar için oldukça zor ve kimi zaman da içinden çıkılmaz bir duruma gelmiştir. Böylece sistemin tamamının bir yazılım ile işlevsel olarak tanımlanması ve yazılan bu kodun kullanılması ile devrenin sentezlenmesi düşüncesi doğmuştur. Bu düşünceden hareketle de HDL kullanımı yayılmaya başlamıştır.

Dünyada halen yaygın olarak kullanılmakta olan iki HDL vardır:

 - Verilog HDL : Cadence Design Systems Inc. tarafından geliştirilen ve yaygın olarak kullanılan ilk HDL'dir.

 - VHDL : Amerika Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiştir. Çok yüksek hızlı tümdevre donanım tanımlama dili (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) olarak adlandırılır.

Verilog HDL, ilk olarak piyasaya sürülen ürün olmanın da verdiği üstünlükle VHDL'e göre daha yaygın bir kullanım alanı bulmaktadır. Ancak VHDL kullanımı da hızla yayılmaktadır. Ayrıca IEEE tarafından bir VHDL standardının (IEEE 1076) oluşturulması, gelecekte VHDL'in daha yaygın bir şekilde kullanılmasını sağlayacaktır.

VHDL'in gücü, karmaşık sistemleri modelleyebilme konusunda sağladığı kolaylıkta yatmaktadır. Ancak simülasyon amacıyla planlanmış olması, devre sentezi sırasında güçlükler oluşturmaktadır. Bu güçlükleri aşabilmek için sentezleme esnasında zamanlama bilgileri, sinyal şiddetleri gibi ek bilgilerin de programcı tarafından sağlanması gerekir. Yazılan VHDL kodlarda devreler, farklı biçimlerde tanımlanabilirler. Bu yöntemleri kısaca inceleyelim:

- Register Transfer Level (RTL) Tanımlama :Devre, sonlu durum makinası şeklinde modellenmiştir. Devreyi oluşturan modüller, "register" düzeyinde her bir "clock" sinyali için ayrıntılı olarak tanımlanır, işlevleri belirtilir, modüller arası bağlantılar oluşturulur.

- Durum Makinası Tanımlama : Devrenin tanımlanması, durum makinası yardımıyla yapılır.

- Boolean Denklemlerle Tanımlama : Devre tanımlama işlemi Boolean denklemler aracılığıyla da yapılabilir.

- Analog Yapı Taşlarının Kullanılması : Analog sistem tanımlama, her biri Laplace ya da S-düzleminde modellenmiş olan parçaların kullanımı ile gerçekleştirilir.

Analog kütüphanelerin henüz tam olarak oluşturulmamış olması, VHDL'in daha çok sayısal devre tasarımlarında kullanılmasına neden olmuştur. Analog VHDL oluşturma çalışmaları da hızla devam etmektedir.

ASIC Tasarımında Kullanılan Yöntemler

Devrenin tasarlanarak oluşturulması sırasında izlenen yöntemler üç ana başlık altında incelenebilir

- Top-Down Design : Sistem düzeyinde tasarıma başlanarak sistemi oluşturan modüller sentezlenir.

- Bottom-Up Design : Devre düzeyinde tasarıma başlanır. Oluşturulan modüllerin birleştirilmesiyle sisteme ulaşılır.

- Middle-Out Design :> Yukarıda anlatılan yöntemlerin karışımıdır.

Yaygın olarak kullanılan Bottom-Up yöntemi, VHDL'in hızla yayılmaya başlaması ile yerine Top-Down Tasarım'a bırakmaktadır. Top-Down Tasarım, VHDL ile bütünleşen bir yöntemdir. Üstelik bu yöntemle tasarlanan devreler, ASIC üretim teknolojisinden bağımsız olarak oluşturulabilirler.

ASIC tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri de, tasarıma başlamadan önce mutlaka bir üretici ile bağlantı kurulması zorunluluğudur. Daha sonraki aşamalar ise teknolojik olarak ASIC tasarım yöntemi ile üretim biçimini belirleme olarak sıralanabilinir. Yatırım ve üretim riski oldukça yüksek olan ASIC tasarımında, tasarımın her aşamasında simülasyon yaparak devrenin kontrol edilmesi de büyük önem taşımaktadır.

Ancak yukarda açıklanan noktaya ulaşmadan önce yapılması gereken en önemli şey, üretim yöntemine karar vermektedir.

ASIC Üretim Yöntemleri

ASIC tasarımının doğası gereği, yapılabilecek herhangi bir hatanın maliyeti oldukça yüksektir. Bu nedenle olabildiğince erken bir aşamada hataları bulmak gereği doğmaktadır. Tasarımın her aşamasında simülasyonun önem kazanması ise yukarda sayılan gerçeklerin doğal sonucudur. Ancak simülasyonda zamanlama bilgilerinin ve gecikmelerin kullanılıyor olması, kullanılan modellerin gerekli bilgileri taşımasını zorunlu kılar. Bu zorunluluktan hareket edildiğinde tasarıma başlamadan önce belirli model kütüphanelerinin tasarımcıya ulaştırılmış olması gerçeği ile yüzyüze gelinir.

Üretim sonuçlarının sağlıklı olabilmesi ve simülasyon sonuçlarını sağlayabilmesi, model kütüphanelerinin üretim parametrelerine bağlı olmasını gerektirir. Böylelikle, tasarım sırasında üretici firmaların (foundry) model kütüphanelerini kullanma zorunluluğu doğar. Bu zorunluluktan dolayı, tasarıma başlamadan önce, üretimi yapacak firma ile bağlantı kurulmalı ve model kütüphaneleri üreticiden alınmalıdır. Bu modeller elde edilmeden yapılan tasarımların sonuçları yanıltıcı olabildiği gibi üretici firmalar da kendi modelleri kullanılmadan yapılan tasarımları, hata olasılığının çok yüksek olması nedeniyle, kabul etmeyeceklerdir.

Üretici ile bağlantı kurulduktan sonra üreticinin teknolojik olanaklarına ve tasarımın niteliğine bağlı olarak, fiziksel tasarım ve maliyeti etkileyen, GATE ARRAY, STANDARD CELL ya da FULL-CUSTOM yöntemlerinden biri ile tasarım gerçekleştirilir. Bu yöntemler arasındaki en temel farklılık, tasarımcının yonganın yapısı ve özelliklerine müdahale edebilme derecesidir.

Tasarımı tamamlanan devreler, silikon "Wafer"lar üzerine oturtulan yongalar halinde üretilirler. Üretim sırasında, her malzeme ve katmana ilişkin bilgileri içeren serim (layout) maskları kullanılır. Şimdi yukarda sözü edilen yöntemleri kısaca açıklayalım :

Gate Array : En kısa sürede sonuç alınabilen, tasarımı ve üretimi kolay olan ASIC tasarım ve üretim yöntemidir. Üretici firma, silikon waferlar üzerinde transistörleri üreterek kullanıma hazır bir duruma getirir. Transistörler arasında herhangi bir bağlantının olmadığı bu silikon waferlar "Sea of Gate" olarak adlandırılır. Transistörlerin üretici tarafından hazır duruma getirilmiş olması nedeniyle tasarımcının sağlaması gereken bilgi oranı belirgin ölçüde azalmıştır. Tasarımcı, üreticinin sağladığı kütüphanelerdeki modeller aracılığıyla, kapı düzeyinde tasarımını gerçekleştirir ve üretimin son aşamasında kullanılacak olan maskları hazırlar. Bu masklar, silikon wafer üzerindeki transistörler arası metal bağlantı bilgilerini içerir. Ancak tasarımcının bağlantıyı yönlendirme yetkisi yoktur. Doğrudan müdahale söz konusu olmadığı için yonga üzerinde transistörlerin tam verim ile kullanılması beklenemez. Ayrıca, silikon wafer üzerinde farklı noktalardaki transistörler birbirlerine bağlanabildiği için üretim sonuçları ile simülasyon sonuçları arasındaki sapmalar ortalamanın üzerinde olabilir. Üreticiye masklarla birlikte devre şemaları da verildiği için tasarım gizliliği en az olan yöntemdir. Ancak tasarım ve üretim süreçlerinin kısalığı, ASIC tasarımına yeni başlayanlar için, sonuçları kısa bir süre içinde görmek açısından, bu yöntemi çekici bir duruma getirmektedir.

Standard Cell : Bu yöntemde de üreticinin kütüphaneleri kullanmakla birlikte yonga üzerindeki hücrelerin konumu tasarımcı tarafından belirlenir. Kütüphane içinde yer alan modeller üzerinde her hangi bir değişiklik yapılmamakla birlikte, yonga üzerinde oluşturulacak serim üzerinde tasarımcının söz sahibi olması, üretim sonuçlarının simülasyon sonuçlarına daha yakın olmasını sağlar. Yonga üzerinde hücrelerin yerlerinin değiştirilebiliyor olması, simülasyon denemeleri ile en uygun tasarımın gerçekleştirilmesine yardımcı olur. Üreticinin önceden herhangi bir hazırlığı yoktur. Bu nedenle üretim için gereken bütün masklar tasarımcı tarafından oluşturulur. Sistem gizliliği daha fazladır. Ancak yine de üreticinin modellerinin kullanılmış olması, çok zor olmakla birlikte, sistemin çözülme olasılığını gündeme getirebilmektedir.

 Full-Custom : Tasarlanan devrelerin hızı ve karmaşıklığı artıkça tasarımcının üretim sürecine müdahalesi de artar. Yüksek hızlı sistemler ile gizliliği önemli olan devreler Full-Custom yöntemi ile tasarlanır. Bu yöntemde üreticinin gönderdiği kütüphaneler kullanılmaz. Üreticiden metal bağlantı yüzeyleri sayısı, iki kanal arası izin verilen en kısa mesafe gibi teknolojik bilgiler alınır. Gönderilen bilgiler ışığında, transistör düzeyinden başlanarak tasarım gerçekleştirilir. Tasarımın bütün parametreleri denetlenebildiği için yonganın en verimli şekilde kullanılması sağlanır. Üreticiye masklar dışında herhangi bir bilgi gönderilmediği ve üreticinin kütüphaneleri kullanmadığı için tasarımın çözülme olasılığı yoktur. Tasarımı ve üretimi, önceki iki yönteme göre daha uzun süren bir yöntemdir.

Üreticilerle bağlantı kurularak tasarım yöntemine karar verilmesi aşamasında, devrenin hızına ve niteliğine uygun materyal seçimi de yapılır.Üretim için Si (Silisyum) ya da GaAs (Gallium Arsenide) seçilebilir. Özellikle mikrodalga devre tasarımlarında GaAs kullanılırken sayısal devrelerin çoğu Si ile üretilir. Mikrodalga sistemlerde MMIC (Monolythic Microwave Integrated Circuits) uygulamalarının yaygınlaşmaya başlaması ile GaAs yonga üretimi hızlanmıştır. Yongalarda temel destek (substrate) malzemesi olarak Si kullanılır. Ancak parazitik etkilerin en aza indirgenmiş olması gereken yongalar safir üzerinde üretilir. Bu üretim biçimi ise "Silicon on Saphire (SOS)" olarak adlandırılır.

Tüm devre üretiminde yaygın olarak CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) teknolojisi kullanılmaktadır. Özellikle sayısal devrelerin üretiminde başvurulan CMOS teknolojisinin kullanımı, genel olarak az enerji tüketiyor olmaları nedeniyle her geçen gün hızla artmaktadır. Ne var ki enerji tüketiminde görülen sınırlı değerler, sinyal frekansının 50 MHz ve üstüne çıktığı durumlarda yön değiştirmektedir. Bu frekansın üzerindeki hızlarda çalışan büyücek bir CMOS tümdevre 5-10 W arası enerji tüketebilmektedir. Aynı yonga 100 MHz ve daha üstünde çalıştırılmaya başlandığında ise enerji tüketimi 20 W düzeylerine kadar çıkabilmektedir. Günümüzde üretilen mikro işlemcilerin bir kısmı bu sorunla karşı karşıyadır. Örneğin 66 MHz hızda çalışan Intel-Pentium işlemcinin aşırı ısınma sorunuyla karşı karşıya olduğu bildirilmektedir.

100 MHz ve daha hızlı uygulamalar için bir seçenek olmak üzere ECL (Emitter Coupled Logic) kullanılabilmektedir. Ancak ECL devrelerin alışılagelmiş sinyal düzeylerinden farklı düzeylerde çalışıyor olmaları, kullanımlarını güçleştirmektedir.

Genelde yüksek frekans (1-5 GHz) uygulamalarında kullanılan bipolar devreler, düşük frekanslarda CMOS devrelere oranla daha çok enerji harcarlar. Ancak bu tüketim frekans ile değişmez ve hemen hemen sabit kalır. Bu gerçekten hareketle, özellikle son yıllarda, bipolar ve CMOS teknolojilerin birleştirilmesi sonucu enerji tüketiminde optimum sonuçlar alınabilen BiCMOS (Bipolar-CMOS) teknoloji kullanılmaya başlanmıştır.

Seçilen yöntem ve teknolojiye uygun olarak tasarımı yapılan ASIC, gerekli bilgilerin üretici firmaya iletilmesi ile üretim aşamasına ulaşmış olur.

ASIC Üretimi Ve Temel Elemanlar

MOS Transistörler

ASIC ve her türlü tümdevrenin temel yapı taşını transistörler oluşturur. Yapısının küçük, üretiminin de görece kolay olması, tüm devre üzerindeki bütün elemanların transistörler aracılığıyla gerçekleştirilmeye çalışılmasına neden olmuştur. Ancak, analog devrelerde sıklıkla kullanılan direnç ve kapasitör gibi elemanlar transistörlerle oluşturulamazlar. Yonga üzerinde en geniş alanı kaplayan elemanlar da transistörlerce yapılmayan bu gibi elemanlardır.

Teknolojisinin yaygın olması ve genel amaçlı uygulamalarda olumlu sonuçlar vermesi, MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistörlerin tümdevre üretiminde sıkça kullanılmasını sağlamaktadır. Analog devrelerde amaca uygun olarak seçilmek üzere "n" ya da "p" tipi MOS transistörler kullanılırken, sayısal devrelerde "n" ve "p" tipi transistörlerin birlikte yeraldığı CMOS yapılar kullanılmaktadır. Literatürde farklı uygulamalarda karşılaşılmasına rağmenMOS transistörleri göstermek amacıyla en sık kullanılan semboller aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.Gate (G), Drain (D), Source (S) ve Base (B) olmak üzere dört girişi olan MOS transistörler pratikte, Sunstrate'i gösteren B girişinin de Source'a bağlanması nedeniyle üç girişli elemanlar olarak kullanılırlar.

Şekil .a. MOS Transistorlerin Gösteriminde Kullanılan Semboller -  Enhancement MOS Transistörler

Şekil .b. MOS Transistorlerin Gösteriminde Kullanılan Semboller - Depletion MOS Transistörler

Çalışma ilkelerine göre "Enhancement" ve "Depletion" transistörler olarak iki ana sınıfa ayrılan MOS transistörlerin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Enhancement MOS transistörde, Gate' e uygulanan sıfırdan büyük bir gerilim aracılığıyla, Drain ve Source arasında, p-tipi silisyum temel içinde az bir sayıda yer alan elektronların toplanması ile, bir kanal oluşur. Böylelikle Drain ile Source arasında bir bağlantı sağlanarak akım geçmesi sağlanır. Burada oluşan kanalın genişliği ve geçen akım miktarı, Gate'e uygulanan gerilimle doğru orantılıdır.

Depletion MOS transistörlerde, Drain ile Source arasında üretim sırasında bir kanal oluşturulur. Gate'e herhangi bir gerilim uygulanmadığında Drain ve Source arasında bir bağlantı kurulmuştur ve akım geçişi sağlanır. Gate'e uygulanacak gerilim ile bu akım denetlenebilir, azaltılabilir yada arttırılabilir.

MOS transistörler "n" tipi ve "p" tipi olmak üzere iki alt gruba ayrılabilir. Genel özellikleri aynı olan bu iki transistör tipinde Drain, Source ve tabanı oluşturan malzemelerde farklılık vardır. "n" tipi transistörde Drain ve Source bölgeleri, elektronlarca zenginleştirilmiş olan "n+" bölgelerinden oluşurken taban, daha az sayıda elektron içeren "p" tipi malzemeden yapılmıştır. "p" tipi transistörde ise durum, yukarda açıklanan yapının tam tersidir.

MOS transistörlerin davranışlarını incelerken gözönünde bulundurmamız gereken iki koşul vardır. Transistör kapalı olmadığı sürece "Saturation" ya da "Conduction" durumundadır. Gate'e uygulanan gerilimin değeri düşükse transistör Conduction konumundadır ve Gate-Source arası gerilimi ile Drain akımı arasındaki ilişki doğrusaldır. Gate gerilimi daha da azaltılırsa artık Drain ile Source arasında herhangi bir akım oluşmaz. Bu durumda transistör kapanmıştır. Transistörün kapalı durumdan "Conduction" konumuna geçmesini sağlayan en küçük Gate gerilimi "Threshold" gerilimi olarak adlandırılır. Gate gerilimi arttırılmaya devam edilirse Drain akımı baskın olmaya başlar ve transistör doğrusal olma özelliğini yitirir. Bu durum ise "saturation" olarak adlandırılır. Aşağıdaki grafikte genel transistör karakteristiği ile bu karakteristik üzerinde transistörün farklı modlarda çalıştığı bölgeler görülebilir. Bu modeli belirleyen matematiksel denklemler de yanda verilmiştir.

 Enhancement MOS Transistor 

 Depletion MOS Transistor

Şekil 1

Yukardaki denklemlerde I_D Drain akımını gösterirken V_GS Gate ile Source arası gerilimi, V_DS Drain ile Source arası gerilimi, m elektron mobilitesini, C_OX de birim alan için kapasiteyi gösterir. W ile L transistörün fiziksel boyutlarıdır. m ve C_OX kullanılan maddeye bağlı olduğu için üretici firmalar bu değerleri belirler. Her iki değer birleştirilerek bir değişken olarak tasarımcılara bildirilir. Genel olarak nMOS transistörleri için daha yüksek olan bu değer pMOS transistörler için düşüktür.

Tasarım sırasında transistörün karakteristiğini etkileyen en önemli parametre W ve L değerleridir. Üretim teknolojisinin izin verdiği sınırlar içinde, üzerinde değişiklik yapılabilen bu değişkenler ile transistörün durumu belirlenebilir. Şekil 2'de transistör üzerinde W ve L değerlerinin gösterdiği uzunluklar gösterilmiştir.

Genel yapısı ve karakteristiği yukarda verilen transistör, ana malzemesi silisyum olan maddelerin işlenmesi ile elde edilir. Bir nMOS transistörün üretim aşamaları Şekil 3'te anlatılmıştır.

Dirençler

Analog devrelerin birçoğunda sıkça kullanılan dirençler, üretimi zor ve toleransları çok yüksek olan elemanlardır. Üretim sırasında yonga üzerinde "polysilicon" ile gerçekleştirilen dirençler, çok büyük bir alanı kaplarlar. Gereken değerlerin doğrusal hatlardan oluşan "polysilicon" ile elde edilememesi, sürekli köşeler oluşturarak zigzaglar çizen yapıların kullanımını gerekli kılmaktadır. Bu nedenle doğrusallık ölçeğini kaybeden direnç değerleri, istenmeyen etkilerin görülmesiyle birlikte farklı sonuçlar verebilmektedir.

Yukarıda sayılan olumsuzlukları giderebilmek amacıyla direnç yerine "switched capacitor" yapılar kullanılmaktadır. Bu yapılar, istenilen direnç değerini simüle ederek beklenen sonuçları verir. Dirençlerin kapasitörler aracılığıyla oluşturulması düşüncesi elektriksel yüklerin direnç üzerinden , herhangi bir kayba uğramadan aktarılabiliyor olması gerçeğinden hareketle ortaya çıkmıştır. Bir direncin her iki ucundaki gerilimler Vi ve Vj olsun. Bu direncin yerini tutacak

a - b - P tipi silikonun üzeri, 0.15 mm kalınlığında Silikon Nitrat ile kaplanır.

c - Birinci Mask yardımı ile Silikon Nitrat aşındırılır ve aşındırılan kısımlara P tipi iyon yüklemesi yapılır.

d - Elde edilen yüzeyin üzerinden su buharı geçirilerek Si0₂ oluşması sağlanır.

e -  Silikon Nitrat aşındırılarak tekrar su buharı uygulanır ve şekilde belirtilen kalınlıklardaki SiO2'in oluşması sağlanır.

f -  Aradaki SiO2 katmanının kalınlığı çok az olduğu için, ikinci mask kullanılarak n tipi iyonlar eklenir.

g - Elde edilen yüzey polysilicon (Amorf Si) ile kaplanır.

h - Üçüncü Mask ile polysilicon aşındırılır.

i - Yüksek yoğunluklu n tipi iyonlar enjekte edilir.

j - Tekrar su buharı geçirilir ve devrenin tamamı SiO2 ile kaplanır.

k - Beşinci Mask ile metal bağlantı noktaları konur.

l - Altıncı Mask ile transistörün diğer elemanlarla bağlantısını gerçekleştiren metal yollar oluşturulur.

m - Üzeri cam (Overglaze) ile kaplanan transistörün dışarı ile bağlantısı, yedinci Mask kullanılarak oluşturulan noktalarla sağlanır.

Herhangi bir yapı Vi ve Vj değerlerini sağlamanın yanısıra direncin üzerinden geçen yükü de bu iki terminal arasında taşıyabilmelidir.

Yukarıdaki denklemlerde akım ve yük arası bağıntı ile direnç ve kapasitör için akım gerilim, yük gerilim bağıntıları verilmiştir. Yük ve gerilimin sabit kalması ilkesinden hareket edersek, direncin yerine kullanılması gereken kapasitörün değeri bulunabilir:

Şekil 4'te bir switched capacitor devre gösterilmiştir. Eşitlikteki T, her iki transistörü süren f1 ve f2 sinyallerinin periyodunu göstermektedir. f1 ve f2 ise, birbirlerinin üzerine binmeyen (non-overlaping) vurumlardır. Böylelikle her iki transitörün de aynı anda açık olmaları engellenmiş olur. f1 ile kapasitör doldurulur. f2 ile kapasitör üzerindeki gerilim V _j 'ye aktarılır.

Şekil 4. Bir direnci simüle eden switched capacitor devre.

Switched capacitor yapılar kullanım açısından kolaylık getirmekle birlikte f1 ve f2 sinyallerinin kullanılmış olması, transistörlerin mükemmel olmayan yapısı nedeniyle yüklü parçacıkların devreye eklenmelerine yol açmaktadır. Bu sorunu çözebilmek amacıyla bir çok yöntem geliştirilmiştir. Şekil 5'te, eklenen iki transitörle yüklü parçacıkların etkisinin azaltılması yöntemi gösterilmiştir.

Şekil 5.

Dirençlerin sıkca kullanıldığı yapılar toplama ve çıkarma devreleri ile integral yada türev alan devrelerdir. Bu yapılarda dirençler, çoğunlukla kapasitörler ile oluşturulur.

Filtreler

Filtrelerin ise uygulama alanı daha geniştir ve analog tasarımda da sıkca kullanılırlar. Switched capacitor yapılarla gerçekleştirilen bir alçak geçiren süzgeç ile eşleniği Şekil 6'da gösterilmiştir. Parametreler üzerinde değişiklik yapılarak istenilen nitelikteki filtreler elde edilebilir.

Şekil 6.ba Alçak Geçiren Süzgeç

Şekil 6.b. Switched Capacitor Alçak Geçiren Süzgeç

Günümüzde, analog ve digital devrelerin aynı yonga üzerinde üretilebiliyor olması, fiziksel sinyallerle elektriksel sinyaller arasındaki dönüşümün sağlanmasında kullanılan en önemli birimlerden biri olan Analog-Digital ve Digital-Analog Dönüştürücüler'in önemini daha da arttırmıştır. A/D-D/A dönüştürücüler'in tasarımı sırasında gözönünde bulundurulması gereken en önemli parametreler şunlardır:

- Doğrusallık
- Çözünürlük
- Offset
- Dönüşüm zamanı

Digital-Analog (D/A) Dönüştürücüler

Sayısal sinyallerin analog sinyallere dönüştürülmesinde kullanılan D/A dönüştürücüler temel olarak üç grupta toplanabilirler:

- Dirençli dönüştürücüler
- Kapasitörlü dönüştürücüler
- Transistörlü dönüştürücüler
- Dirençli Dönüştürücüler.

Temel olarak, direnç dizileri üzerinde oluşan gerilimlerin kullanıldığı bu tür dönüştürücülerin genel yapısı aşağıdaki gibidir.

Şekil 7. İki bitlik D/A dönüştürücü

Yukarıdaki iki bitlik dönüştürücüde giriş sinyallerinin değerleriyle (a₁ , a₀) anahtarlanan transistörler, dirençler üzerindeki gerilimi, giriş sinyalinin değeri ile orantılı olarak çıkış noktasına aktarırlar. Bu iki bitlik dönüştürücüde giriş sinyali (Datain) "0" olduğunda a₁ , a₀ : 00), T5 ve T6 transistörleri gate'lerine bağlı olan a₁ , a₀ : 11 sinyalleri nedeniyle açılırlar ve V₀ çıkış gerilimi toprağa bağlanmış olur. Böylece 00 sayısal değeri için 0 volt analog değeri elde edilir. a₁ , a₀ : 01 durumunda T4 ve T5 açılarak V₀ , en alttaki R değeri direncin üzerindeki gerilimi görür. Bu değer, bütün dirençler eşit büyüklükte olduğu için ,V_ref/4'tür. Aynı şekilde a₁ , a₀ : 10 için V₀ V_ref/2 olurken a₁ , a₀: 11 için 3/4 V_ref olur. Grafikten de görüldüğü üzere bu dönüştürücü doğrusaldır ve offset içermemektedir.

Dirençli dönüştürücülerde, "n"-bit'lik bir sinyal için 2ⁿ yada 2ⁿ - 1 tane direnç gerekmektedir. Dönüştürme hızı yüksek olmasına karşın dirençlerin kapladıkları alanların büyüklüğü gözönüne alındığında, yüksek " n "değerleri için bu tür dönüştürücüler üretmek pratik değildir.

- Kapasitörlü Dönüştürücüler

a - Seri Yük Dağılım Dönüştürücüleri

Genel yapısı ve uygulanan anahtarlama sinyallerinin biçimleri Şekil 8'de gösterilen dönüştürücüler, bit sayısının yüksek olduğu "n"-bit dönüştürücüler için uygundur. Ancak hızları düşüktür. Bu nedenle çözünürlüğün önemli, hızın önemsiz olduğu uygulamalarda kullanılabilir.

Kapasitörlü dönüştürücülerde temel olarak uygulanan kural, elektriksel yükün korunmasıdır. "n" bitlik bir sayısal bilgi (a_n-1...a₀.) olarak gösterilirken a_n-1. en yüksek değerli biti, a₀. ise en düşük değerli biti temsil etmektedir. Analog bir sinyale dönüştürülecek olan bu bilgi seri olarak S1 ve S2 anahtarlarına uygulanır. Ancak dönüştürme işlemine başlamadan önce S5 anahtarına uygulanan bir sinyale çıkışta yer alan kapasitör üzerindeki gerilim boşaltılarak dönüştürme işleminin başlaması sağlanır. Sayısal bilginin ilk biti (a₀) S1 ve S2'ye uygulandığında kapasitörler üzerindeki toplam yük;

Q₁ = V_ref C₁ a₀ Q₁ : C₁ kapasitörü üzerindeki yük

Q₂= 0 Q₂ : C₂ kapasitörü üzerindeki yük

 Bu değer a₀ bitinin "0" yada "1" olmasına bağlı olarak değişir. S3 anahtarlarına f3 sinyali uygulandığında S1 ve S2 açık konumdadır ve C1 ile C2 birbirlerine bağlanırlar.

Sistemdeki toplam yük, dışardan herhangi bir ekleme yapılmadığı için değişmeyeceğinden iki kapasitör arasında paylaştırılacaktır. Bu durumda elde edilen analog gerilim;

Q_T = Q₁ + Q₂ = (C₁ + C₂ ) V₀= V_ref > C₁ a₀

Q_T: Toplam yük
V₀ : Çıkış gerilimi

V₀ = V_ref C₁ a₀ / ( C₁ + C₂ )

İkinci bitin (a₁) uygulamasına sıra geldiğinde ise önce f1 ile S4 kapatılır ve C₁ boşaltılır. S1 ve S2'ye a₁ uygulandığında sistemdeki toplam yük;

 Q₁ =V_ref C₁ a₁

Q₂ = V_ref a₀ C₂ C₁ / (C₁ + C₂)  

C₁ = C₂ = C => Q₂ = V_ref C a₀ / 2

Q_T = Q₁+Q₂ = V_ref C₁ a₁+ ( V_ref / 2) C₂ a₀ = V_ref C (a₁+ (1 / 2) a₀)

f3 ile S3 kapanır ve C₁ ile C₂ birbirlerine bağlanırlar. Bu durumdaki çıkış gerilimi ise aşağıdaki gibidir.

V₀ = ( Q₂ / C₂ )

 Q₂ = Q_T (C₂ / C₁+C₂) = Q_T (1/2)

C₁ = C₂ = C

V₀ = Q_T 2C = (V_ref / 2 ) (a₁+ (1/2) a₀)

V₀= (V_ref/ 4 ) (2 a₁ + a₀)

Yukarda açıklanan şekilde bütün bitler uygulandığında, elde edilen analog sinyalin genel gösterimi de aşağıdaki gibidir.

V₀= (V_ref / 2ⁿ) (2^n-1 a_n-1+...+ 2 a₁+a₀)

Şekil 8. Seri yük dağılım dönüştürücüsü

 b - Paralel Yük Dağılım Dönüştürücüleri:

 Şekil 9'da temel yapısı ve sinyallerin şekilleri gösterilen dönüştürücüde n-bit dönüşüm için "n+1" tane kapasitör gerekmektedir. Kapasitör değerleri C , C , ..... , (2n-2) C , (2n-1)C olarak sıralanır. Temel ilkeler açısından seri dönüştürücülere benzerler. Ancak dönüştürülecek olan "n" bitlik (a _n-1 a _n-2 ...... a ₁ a ₀) sinyalinden oluşan sayısal bilgi devreye paralel olarak uygulanır. Seri dönüştürücüler için açıklanan yöntem izlendiğinde çıkışta elde eilen V₀ analog sinyalinin açılımı aşağıdaki gibidir:

V₀ = ( V_ref / 2 ) ( 2^n-1 a _n-1 + 2^n-2 a _n-2 + ..... + 2 a ₁ + a ₀ )

Büyük "n" değerleri için kapasitör değerlerinin büyümesi, bu değerlerin fiziksel olarak yonga üzerinde gerçekleştirilebilmelerine olanak vermemektedir. Dönüştürme hızı yüksektir.

Şekil-9

Optimum çözümler elde edebilmek amacıyla, dirençli ve kapasitörlü devreler ortak olarak kullanılabilir. Böylelikle, performans artırılırken yonga alanı da sadece kapasitör yada dirençten oluşan dönüştürücülerin alanına göre küçültülmüş olur.

- Transistörlü Dönüştürücüler.

 Şekil 10'da üç bitlik (a₂ a₁ a₀) transistörlü bir dönüştürücünün genel yapısı verilmiştir. Bu dönüştürücülerde kullanılan en önemli eleman, sabit akım sağlayan "current mirror" dır. T1 transistörü ile istenilen akım değeri sabitlenir. Daha sonraki transistörlerin (T2, T3, ...) boyutları (W ve L parametreleri) değiştirilerek transistörlerin üzerinden akması istenilen akımlar belirlenir. Transistörler, sayısal bilginin bitleri tarafından anahtarlanan anahtarlar (S1, S2, ...) aracılığıyla opamp girişine bağlanır. Opamp çıkışındaki gerilim;

 V₀ = IR (2ⁿa_n+2^n-1a_n-1+...+2a₁+a₀)

Şekil-10

Analog-Digital (A/D) Dönüştürücüler

- Merdiven (Staircase) Dönüştürücüsü

Şekil-11

D/A dönüştürücünün çıkışındaki V1analog sinyali Vin ile karşılaştırılır. Eğer Vin'den küçükse Y,1 değerini alır. Sayıcının değeri yeterli büyüklüğe ulaştığında V1 sinyali Vin'den daha büyük olur. Y, 0'a çekilir ve sayacının saat sinyali önlenerek sayması durdurulur. Sayıcıdaki değer,giriş sinyalinin sayısal değerine eşittir.

- Ardışıl Yaklaşım (Successive Approximation)

Şekil-12

Ardışıl yaklaşım yöntemi, yandaki şekil'de gösterilmiştir. n-bit halka sayıcı,n-bit saklayıcının en önemli bitini 1 yapar. D/A dönüştürücüden çıkan sonuç, giriş sinyali ile karşılaştırılır. Dönüştürücünün çıkışındaki gerilim giriş sinyalinden daha büyükse bir sonraki CLK sinyali ile en önemli bit 0 yapılır, bir altındaki bit ise 1'e çekilir.

Bu karşılaştırma işlemi, bütün bitlerin değeri belirleninceye kadar devam eder. Böylelikle, toplamın saat vurumu ile sinyal dönüştürülmüş olur.

- Çifte Eğimli Dönüştürücüler (Dual-Slope Converters)

Şekil-13

Genel yapısı yukarıda verilen bu dönüştürücü, giriş sinyalinin integralini aldığı için gürültüye karşı duyarsızdır. Girişe uygulanan analog Vin sinyalinin belirlenen bir saat vurumu sayısı süresince integrali alınır. Bu süre boyunca oluşan değer;

V = nTVin / C

Daha sonra girişteki anahtarlama devresinin konumu değiştirilerek -Vref geriliminin uygulanması sağlanır. Çıkış sayıcısı tarafından belirlenen bir süre boyunca -Vref voltajının integrali alınır ve integral alma devresinin çıkışındaki gerilim sıfıra düşürülür. Bu işlem için gereken saat vurumu sayısı;

m = nVin / Vref

 Yukarıdaki eşitlik kullanılarak Vin gerilimi elde edilir. Bu tür dönüştürücüler oldukca yavaş çalışır. Saniyede üç yada dört örnek alabilirler. Elektronik ölçüm araçlarında sıkça kullanılırlar.

- Flash Dönüştürücüler:

Şekil 14.  2^n-1 karşılaştırıcı

En hızlı dönüştürücülerden biridir. Ancak yonga üzerinde çok fazla yer kaplar. n-bit dönüşüm için 2n-1 tane karşılaştırıcıya gerek vardır.

Analog tasarımlarda, sözü edilen elemanlardan daha farklı elemanlar da kullanılmaktadır. Ancak sayısal sistemlerin sağladığı üstünlükler de gözönünde bulundurularak, sistemlerin çoğunluluğunun sayısal temelli olması, analog elemanlarının fiziksel dünya ile elektronik sistemler arasında bir uyarlayıcı olarak kullanımı yaygınlaştırmıştır. Böylesine bir uygulamada da AD/DA dönüştürücülerinin önemi bir kat daha artmaktadır.

Analog tasarımlarda, kullanılan malzemenin karakteristik özelliklerinden dolayı, istenilen sonuçları elde edebilmek biraz daha güçtür. Karşılaşılabilecek sorunları en aza indirebilmek amacıyla tasarım sırasında, simülasyona verilen önem daha da artmaktadır. Bir çok analog elemanın elktriksel davranışlarının doğrusal modellerle belirtilememesi nedeniyle devre simülasyonları daha çok zaman kaybettirebilmektedir.

Analog devrelerin similasyonunda, University of California, Berkeley tarafından geliştirilen SPICE-2G simülatörü kullanılmaktadır. Piyasada bir çok yazılım ve yazılım üreten firma olmasına ragmen, başarılı analog simülatörlerin hemen hemen tamamı SPICE-2G'yi temel alarak geliştirilen simülatörlerdir. Yazılı herhangi bir çalışma ya da anlaşma olmamasına rağmen bu simülatör, analog devreler için bir standart durumuna gelmiştir.

ASIC tasarım yöntemi ile bütünü ile analog ya da sayısal devreler yapıldığı gibi analog ve sayısal işlevlerin aynı anda bir yonga üzeinde gerçekleştirilebildiği karışık tasarımlar yapma olanağıda vardır. Sayısal ASIC tasarımı ve kullanılan temel yapı taşları ile tasarımların test edilebilirliği konularını içeren yazımızı da gelecek sayımızda bulabilirsiniz.

Comments

Add New Search RSS

Write comment
Name:
Email:	do not notifynotify
Title:
UBBCode:	-color-aquablackbluefuchsiagraygreenlimemaroonnavyolivepurpleredsilvertealwhiteyellow -size-tinysmallmediumlargehuge
Please input the anti-spam code that you can read in the image.

Powered by !JoomlaComment 3.23

3.23 Copyright (C) 2007 Alain Georgette / Copyright (C) 2006 Frantisek Hliva. All rights reserved."