Adım 1: Analog Tasarım Temelleri

Hedef: Projeye başlamadan önce bilmen gereken temel analog devre kavramlarını sağlam öğrenmek.
Süre tahmini: Sprint-1 öncesi ve sırasında (ilk hafta)
İlişkili iş paketi: Tüm WP'lerin temeli

1.1 Analog ve Dijital Farkı

Dijital devrelerde sinyaller sadece iki değer alır: 0 ve 1. Analog devrelerde ise sinyaller sürekli değerler alır (0.3V, 0.87V, 1.24V gibi). Bu projede tasarlayacağın AFE ve BGR tamamen analog devrelerdir.

Neden önemli? Analog tasarımda:
- Gürültü (noise) doğrudan sonucu etkiler
- Eleman eşleşmesi (matching) kritiktir
- Parasitik bileşenler (parasitic) performansı ciddi ölçüde bozabilir
- Sıcaklık, besleme gerilimi ve proses varyasyonları her şeyi etkiler

1.2 Temel Devre Elemanları

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Projendeki tüm aktif elemanların temelini oluşturur. İki ana tipi vardır:

NMOS (N-channel MOSFET):
- Elektron taşıyıcılı, daha hızlı
- VGS > VTH olduğunda iletir
- Pull-down ağlarında ve yükselteç giriş katlarında kullanılır
- AFE'deki yükselteç katlarının temel elemanı

PMOS (P-channel MOSFET):
- Boşluk taşıyıcılı, daha yavaş
- |VGS| > |VTH| olduğunda iletir
- Pull-up ağlarında ve aktif yük olarak kullanılır
- BGR'daki akım aynasında kullanılır

MOSFET Çalışma Bölgeleri

Bu kavram projede çok sık karşına çıkacak:

Kritik Kural (BGR-07 testi): Start-up devresi hariç tüm MOS'lar doyum bölgesinde çalışmalıdır. Bu, OP analizi ile kontrol edilir.

BJT (Bipolar Junction Transistor)

BGR tasarımında kritik rol oynar. PDK'larda genellikle "parasitik BJT" olarak bulunur (yani özel olarak üretilmez, MOSFET yapısından oluşur).

BGR'daki rolü: BJT'nin baz-emiter gerilimi (VBE) sıcaklıkla ters orantılı değişir (~-2 mV/°C). Bu özellik, PTAT geriliminin pozitif sıcaklık katsayısıyla birleştirildiğinde sıcaklıktan bağımsız 1.25V referans üretir.

Direnç ve Kapasitör

• Dirençler: BGR'da referans gerilimi ayarı ve trim ağı için kullanılır. Matching kritiktir.
• Kapasitörler: Filtreleme, kompanzasyon ve AC bağlantı için kullanılır. Parasitik kapasitanslar da hesaba katılmalıdır.

1.3 Temel Analog Kavramlar

Kazanç (Gain)

Yükselteçin çıkış sinyalini giriş sinyaline bölerek elde edilen oran. dB (desibel) cinsinden ifade edilir.

Kazanç (dB) = 20 × log₁₀(Vçıkış / Vgiriş)

Projede: CTLE'de 3-10 dB boost, opamp'ta yüksek açık döngü kazancı gerekir.

Bant Genişliği (Bandwidth)

Devrenin etkili çalışabildiği frekans aralığı. -3 dB noktasında tanımlanır (kazancın yarıya düştüğü frekans).

Projede: AFE'de 8 Gbps veri hızı → minimum ~4 GHz bant genişliği gerekir. CTLE sıfır/kutup frekansları 1.5-5 GHz aralığında.

Kazanç-Bant Genişliği Çarpımı (GBW)

Bir yükselteçin kazancı ile bant genişliğinin çarpımı sabittir. Kazancı artırırsan bant genişliği düşer, tersi de geçerlidir.

Projede: AFE yükselteçlerde bu dengenin doğru kurulması göz kalitesini belirler.

Faz Marjı (Phase Margin)

Geri beslemeli devrelerin kararlılığını gösteren parametre. Birim kazanç frekansında (kazanç = 0 dB) fazın -180°'den ne kadar uzak olduğu.

Faz Marjı = 180° + Faz(f_unity)

Projede: BGR opamp'ının faz marjı yeterli olmazsa PSRR bozulur ve start-up güvenilmez olur.

Empedans (Impedance)

AC sinyallere karşı gösterilen toplam direnç. Direnç (R), kapasitans (C) ve indüktans (L) bileşenlerinden oluşur.

Projede: AFE giriş empedansı 50 Ω olmalıdır. Empedans uyumsuzluğu sinyal yansımalarına neden olur (S11 ile ölçülür).

Diferansiyel Sinyal (Differential Signal)

İki iletken üzerinden birbirine ters fazlı sinyal taşıma yöntemi. VP ve VN sinyalleri birbirinin tersidir.

Avantajları:
- Ortak-mod gürültüyü bastırır (güç hattı gürültüsü, substrate gürültüsü)
- Daha yüksek sinyal salınımı (swing) sağlar
- Empedans kontrolü kolaylaşır

Projede: AFE giriş sinyali (VINP/VINN) diferansiyel olarak alınır. Terminasyon diferansiyel 50 Ω olarak uygulanır.

1.4 Geri Besleme (Feedback)

Çıkışın bir kısmının girişe geri gönderilmesi.

Negatif geri besleme:
- Kazancı düşürür ama kararlılığı artırır
- Bant genişliğini genişletir
- Doğrusallığı iyileştirir
- BGR'da opamp geri beslemesi ile VREF kararlılığı sağlanır

Pozitif geri besleme:
- Kazancı artırır, kararsızlık yaratabilir
- Osilatörler ve comparator'larda kullanılır
- BGR start-up devresinde dikkatli kullanılır

1.5 Bias (Ön Kutuplanma)

Transistörleri doğru çalışma bölgesinde tutmak için uygulanan sabit DC gerilim veya akım.

Neden önemli?
- Bias olmadan transistörler yükselteç olarak çalışamaz
- BGR, tüm AFE bloklarına bias akımı sağlar
- Bias ağı gürültüden korunmalıdır (kaskot yapı + filtreleme)

Projede: BGR → IREF_16U → AFE iç bloklarına bias dağıtımı. Her AFE alt bloğu (afe_bias_local) kendi yerel bias'ını BGR'dan alır.

1.6 Akım Aynası (Current Mirror)

İki (veya daha fazla) transistör kullanılarak bir referans akımının başka dallara kopyalanması.

Basit akım aynası:

    VDD
     |
    [M1]---[M2]
     |       |
   IREF    ICOPY
     |       |
    GND     GND

M1 ve M2 aynı VGS'e sahiptir → ICOPY ≈ IREF (boyut oranına göre)

Projede: BGR'daki bgr_iref16u hücresi 16 µA referans akımı oluşturur ve akım aynaları ile AFE'ye dağıtır.

Matching kuralı: M1 ve M2'nin boyutları, yerleşimleri ve sıcaklıkları ne kadar yakınsa akım kopyalama o kadar doğru olur. Bu nedenle layout'ta common-centroid yerleşim kullanılır.

1.7 Gürültü Kaynakları

1.8 Bu Adımı Tamamladığını Nasıl Anlarsın?

Aşağıdaki soruları cevaplayabiliyorsan hazırsın:

• [ ] MOSFET'in doyum bölgesi koşulunu yazabilir misin?
• [ ] Kazanç ve bant genişliği arasındaki ödünleşimi açıklayabilir misin?
• [ ] Faz marjı neden 60° üstünde olmalı?
• [ ] Diferansiyel sinyalin avantajı ne?
• [ ] Akım aynasında matching neden kritik?
• [ ] BGR'dan AFE'ye bias nasıl dağıtılıyor?

Sonraki Adım

→ Adım 2: Proje ve Şartname Analizi

İlgili sözlük terimleri: MOSFET, NMOS, PMOS, BJT, VBE, VGS, VTH, Doyum, Subthreshold, Opamp, Akım Aynası, Kaskot, Diferansiyel, Empedans, Kazanç, Bant Genişliği, Faz Marjı, Bias, Gürültü
Detaylı açıklamalar için → TERIMLER_SOZLUGU.md