Elektronik Devre Yapıları Modelleme ve Optimizasyonda Elektronik Devre Tasarım Araçları Revna ACAR VURAL 28/12/2010

Devre Elemanları Vakumlu Tüpler: Elektriksel işaretleri kuvvetlendiren ve kontrol eden ilk elektronik eleman. Transistörler: Bell Laboratuarlarından 3 bilimadamı, John Bardeen, William Shockley ve Walter Brattain, tarafından 1947’de icat edildi. 1960’da Jack Kilby and Robert Noyce ilk entegre devreyi (IC) tasarladılar. Fairchild şirketi lojik kapıları üretti.

Entegre Devreler-IC Üretimdeki gelişmeler sayesinde tek bir çip içine daha fazla sayıda transistör sığdırılıyor. Transistörler ve Entegre Devreler SSI (Small-Scale Integration) ile ULSI arasında ölçeklendirilirler. Mikroişlemci yapıları bu gelişmelerden sonra ortaya çıkmıştır.

Tipik VLSI Sistemler İşitme Cihazları Cep Telefonları Fotoğraf Makineleri Otomobiller Biyomedikal Görüntüleme Bilgisayarlar

Mikroişlemciler Robert Noyce ve Gordon Moore Intel’i kurdular. Intel ilk programlanabilir hesap makinesini üretti. Intel ilk mikroişlemciyi 1971’de tasarladı. Model 4004 4-bit; 2300 transistor, 640 byte hafıza, 108 KHz saat frekansı

Mikroişlemciler-II Transistörlerden oluşan tek bir çip yapısıdır. Kaydedilen komutlar kümesini işlemek üzere çalışır. Harici hafıza, harici I/O ve diğer çevresel birimlerle etkileşim halindedir. Sık olarak kontrol sistemlerinde kullanılır.

Mikrodenetleyiciler Bir mikroişlemcinin, hafıza ve giriş - çıkışlar, kristal osilatör, zamanlayıcılar (timers), seri ve analog giriş çıkışlar, programlanabilir hafıza (Flash, ROM) gibi bileşenlerle tek bir tümleşik devre üzerinde üretilmiş halidir. Mikroişlemcilere göre oldukça küçük boyutludurlar, çok düşük güç tüketimine sahiptirler, düşük maliyetlidirler, yüksek performansa sahiptirler.

Mikrodenetleyici Blok Diyagramı

Sayısal İşaret İşlemcisi (Digital Signal Processor-DSP) Sayısal işaret işleme konusunda yüksek hızda yüksek doğruluk gerektiren uygulamalar için optimize edilmiş mimariye sahip özel bir mikroişlemcidir. DSP algoritmaları tipik olarak bir veri kümesi üzerinde çok sayıda matematiksel işlemi çok hızlı ve sürekli olarak yapmalıdır. Ses veya görüntü sensörlerinden elde edilen işaretler analogdan sayısala çevrilerek, sayısal olarak işlenir ve daha sonra elde edilen sayısal veri, tekrardan analog işaret haline getirilir.DSP uygulaması belirli bir süre içinde tamamlanmalıdır, ertelenmiş (batch)işlem yapmak mümkün değildir. Genel amaçlı mikroişlemcilerin çoğu DSP algoritmalarını çalıştırabilir ancak cep telefonu ve PDA gibi taşınabilir cihazlarda güç tüketimi ve alan kısıtlamalarına bağlı olarak kullanışlı olmaz. Özel olarak tasarlanmış DSP işlemciler büyük batarya veya özel bir soğutma sistemi gerektirmeksizin daha yüksek performanslı, düşük gecikmeli ve düşük maliyetli çözüm sağlarlar.

SPLD ve CPLD İlk programlanabilir tümdevreler (ICs) PLD (Programmable Logic Device)

CPLD (Complex Programmable Logic Device) Artan kapasite ihtiyacı Altera’nın EPROM ve CMOS teknolojisine dayanan CPLD’leri geliştirmesini sağladı.

ASIC (Aplication Specific Integrated Circuits) Uygulamaya Özgü Tümdevreler kendi içinde 4 ana grupta incelenir.

Çok geniş ve karmaşık işlevleri destekler Oldukça pahalı Uzun süreç Tasarımın geri dönüşü yok Yüksek yapılandırma Hızlı tasarım Değişiklik imkanı Geniş ve karmaşık tasarımları desteklemez

Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Array-FPGA) Bu aralığı doldurmak amacıyla Xilinx firması FPGA adını verdiği yeni bir IC sınıfı geliştirdi ve 1984 yılında pazara sunulacak hale getirdi. Programlanabilir mantık blokları ve bu bloklar arasındaki ara bağlantılardan oluşan ve geniş uygulama alanlarına sahip olan sayısal tümleşik devrelerdir Alanda programlanabilir ismi verilmesinin nedeni, mantık bloklarının ve ara bağlantıların imalat sürecinden sonra programlanabilmesidir.

FPGA Mimarisi Programlanabilir mantık blokları, ara bağlantılar içerisine gömülü şekilde bulunur. Programlanabilir mantık bloklarının yapılandırılması ve bu bloklar arasındaki iletişim ara bağlantılar sayesinde gerçekleşir. Giriş çıkış blokları, ara bağlantılar ile bütünleşmiş devrenin paket bacakları arasındaki ilişkiyi sağlar

FPGA Mantık Bloğunun Yapısı Tipik FPGA mantık bloğu, 4 girişli başvuru çizelgesi (Look up table-LUT) yapısı ve flip-flop gibi diğer mantık elemanlarından oluşur. 4 girişli LUT yapısı, değişik mantıksal işlemleri yürütür. Çıkış verileri isteğe bağlı olarak yazmaçta saklanır

FPGA Nasıl Programlanır VHDL  (Very High –Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) en çok kullanılan HDL (Hardware Description Language) dillerinden biridir. FPGA programlama ve FPGA’e yüklenen kodun test işleminde VHDL kullanılır. VHDL, bir sayısal tasarım mekanizması ve tekrar kullanılabilir tasarım dokümantasyonu sunar. Bu programlama dili 1980’lerden beri kullanılmakta olup sürekli geliştirilmiş ve IEEE tarafından da standart olarak kabul edilmiştir. VHDL'de tasarım akışı üç kısımdan oluşur: Kodlama Simülasyon Sentezleme

Gömülü Sistemler Gömülü sistem, bilgisayarın kendisini kontrol eden cihaz tarafından içerildiği özel amaçlı bir sistemdir. Genel maksatlı, örneğin kişisel bilgisayar gibi, bir bilgisayardan farklı olarak, gömülü bir sistem kendisi için önceden özel olarak tanımlanmış görevleri yerine getirir. Sistem belirli bir amaca yönelik olduğu için ürünün boyutunu ve maliyetini azaltarak sistemi optimize edebilirler. Gömülü bir sistemin çekirdeğini, belirli bir sayıda görevi yerine getirmek için programlanan mikroişlemciler ya da mikrodenetleyiciler oluşturur. Kullanıcıların üzerinde istediği yazılımları çalıştırabildiği genel maksatlı bilgisayarlardan farklı olarak, gömülü sistemlerdeki yazılımlar yarı kalıcıdırlar ve firmware ismiyle anılırlar

Netgear DG632 ADSL Modem/Yöneltici (4) Mikroişlemci (6) RAM (7) Flash Bellek (8) Regülatör (12) Kristal osilatör (13) Eternet girişi (15)Eternet PHY alıcı-verici (16) USB

Mikroelektronik Devre Tasarım ve Optimizasyonu

Modelleme Elimizde uygulamada kullanılan bir El feneri (elektriksel sistem) olsun, Bu el fenerinin analiz ve sentezini nasıl yapabiliriz? El fenerinin eşdeğeri bir matematiksel model olsa!!

Modelleme Süreci Kara kutu modeli: Mimari Model: Lojik Model: Serim: Sistemin giriş çıkış bilgilerinin belirlenmesi Mimari Model: Fonksiyonel birimlerin ve birimler arası iletişimin sağlanması Lojik Model: Fonksiyonel birimlerin lojik kapılar cinsinden tasarımı, giriş sinyallerinin evirtilmesi, birleştirilmesi veya ayrıştırılması… Serim: Uygun yarıiletken teknolojisi kullanılarak çipin üretilmesi

Elektronik Devrelerde Analiz ve Sentez Kavramları Sentez: Tanımlanmış bir transfer fonksiyonunu gerçekleyen devreyi bulma işlemidir. Sentez sonucunda devre biçimi ve devre elemanlarının değerleri elde edilir. Analiz : Devre elemanları ve devre biçimi verildiğinde elemanlara ait gerilim ve akım değerlerini bulma işidir.

Devre Analizi için Gerekenler Devreye ilişkin akım denklemleri (Kirchhoff’un akımlar aksiyomu) Devreye ilişkin gerilim denklemleri (Kirchhoff’un gerilimler aksiyomu) Eleman tanım bağıntıları Şimdiye kadar bilinen elemanlardan oluşan devrelerde(bağımsız, bağımlı kaynak ve direnç), lineer cebirsel denklemlerin çözümü

Örnek Devre

Referanslandırılmış Devre 1 2 3 + İ2,v2 ibgk + + ib =vbgk i2 İ3,v3 =vb İ6,v6 TOPRAK 10 denklem: 3 düğüm akım denklemi 2 çevre gerilim denklemi 5 tanım denklemi 10 bilinmeyen: vb, vbgk, v2, v3, v6 ib, ibgk, i2, i3, i6

Devre Optimizasyonu Daha küçük toplam alan: Transistör boyutlarının azaltılması ve serimin daha az alan kaplaması Daha düşük güç tüketimi: Daha uzun pil ömrü ve daha az ısınma problemi Daha yüksek performans: Kazancın, band genişliğinin, giriş ve çıkış aralığının arttırılma, gürültü ve besleme gerilimi etkilerine daha az duyarlı olması. Daha yüksek güvenilirlik: Dış koşullardaki (sıcaklık, nem, vs) ani ve/veya şiddetli değişime rağmen devrenin yüksek doğrulukla çalışabilmesi. Daha düşük maliyet: Devrenin tasarım aşamasından üretimine kadar olan süreçteki hem maliyet hem zaman gibi giderlerin düşürülmesi

ELEKTRONİK DEVRE TASARIM PROBLEMİ Elektronik devre tasarımı maddi yükümlülüğü yüksek bir bilimsel çalışma sonucu ortaya çıkabilmektedir. Devre tasarımının en büyük ikinci zorluğu ise tasarım için ayrılması gereken zamandır. Yüksek sayıda eleman içeren bir sistemin tasarlanması yıllar alabilmektedir. Lineer olmayan sistemleri tanımlamak üzere kullanılan devre takımları da lineer olmayacağından, ağır hesap yükü gerektirmektedir. Her tasarımcı tasarlayacağı devrenin hangi koşullarda çalışacağına dair bir takım kriterler belirler. Devre bu “spec” değerlerini minimum hata ile sağlamalı ve minimum alan kullanarak devre tasarlanmalıdır.

Elektronik Devre Tasarım Araçları Devre Analizi :SPICE®, Electronic Workbench®, Multisim ® Sistem Modelleme : MATLAB Simulink®, Sistem Optimizasyonu: PSPICE Optimizer ®, Neocircuit ® FPGA Sentezleyici: Xilinx ISE ®, Altera Quartus® Gömülü Kod üretimi: Matlab Simulink ®, C/C++ Serim Editörleri: Synopsys®, Magic®,

Cadence® PSPICE - Analiz

MATLAB-SIMULINK®-Modelleme

Virtuoso®NeoCircuit-Optimizasyon

XILINX-ISE

Synopsys® Cadabra Layout Editor-Serim IC’yi oluştuan MOS transistörlerin, metal, yarıiletken ve oksit malzemelere karşı gelen çeşitli geometrik şekillerle oluşturlması ve düzenlenmesidir. Serim sonrası simülasyonlarda devrenin parazitik kapasiteleri elde edilmektedir. IC üretime gönderilmeden önce post-layout simülasyonları yapılarak devrenin “gerçekten” nasıl çalıştığı ve istenen koşullara uyup uymadığı belirlenebilir.