Adım 5: BGR Tasarım Rehberi

Hedef: BGR (Bandgap Reference) bloğunun çalışma prensibini, mimarisini ve her alt bloğunu derinlemesine öğrenmek.
Süre: Sprint-2 (24 Şubat - 7 Mart 2026) şematik ilk versiyon + Sprint-4 (17 Mart - 5 Nisan) TC/PSRR iyileştirme
İlişkili iş paketi: WP-2 (BGR devre tasarımı)
Çıkış kriteri: TT/27°C altında kaba hedeflere yaklaşım (Sprint-2), TC ve PSRR pass/margin (Sprint-4)

5.1 BGR Nedir ve Neden Bu Kadar Önemli?

BGR = Bandgap Reference = Bant Aralığı Referans Devresi

Sıcaklık, besleme gerilimi (VDD) ve proses varyasyonlarından bağımsız, sabit bir referans gerilimi (VREF = 1.25V) ve referans akımı (IREF = 16 µA) üreten analog blok.

Neden Kritik?

• AFE'nin tüm bias akımları BGR'dan gelir
• BGR bozulursa AFE çalışmaz
• Sıcaklık değişimlerine karşı stabil olmalı (-40°C ile 125°C arası)
• Besleme dalgalanmalarını çıkışa yansıtmamalı (PSRR)

5.2 Bandgap Prensibi: 1.25V Nasıl Üretilir?

BGR'nin temel çalışma prensibi silisyumun bant aralığı enerjisine (bandgap energy ≈ 1.12 eV) dayanır.

İki Karşıt Sıcaklık Davranışı

Dengeleme Formülü

VREF = VBE + K × ΔVBE

VBE  → sıcaklık artınca düşer (CTAT bileşen)
ΔVBE → sıcaklık artınca artar  (PTAT bileşen)
K    → uygun katsayı ile seçilirse iki etki birbirini siler

Sonuç: VREF ≈ 1.25V (sıcaklıktan neredeyse bağımsız)

Görsel Açıklama

  Gerilim (V)
  1.4 |
  1.3 |          _______________  ← VREF (sabit, ~1.25V)
  1.2 |   ------/               \------
  1.1 |
  1.0 |  --------___                    ← VBE (düşer)
  0.9 |              --------___
  0.8 |
  0.3 |                    ___------    ← K×ΔVBE (artar)
  0.2 |         ___------
  0.1 |  ------
  0.0 |________________________________
     -40°C    0°C   27°C  85°C  125°C

Neden 1.25V? Silisyumun bant aralığı enerjisi 0K'da yaklaşık 1.12 eV'dir. Oda sıcaklığında optimal dengeleme noktası ~1.25V civarına karşılık gelir. Bu bir tasarım değil, fizik sabitidir.

5.3 Seçilen Mimari: Opamp Tabanlı Brokaw Bandgap

Neden Brokaw?

1. 1.25V hedefi için en güvenli yol — endüstri standardı, kanıtlanmış topoloji
2. Opamp tabanlı yapı → line regulation ve PSRR'de daha güçlü
3. Trim opsiyonu → proses varyasyonlarını düzeltme imkânı
4. Post-layout riski düşük — aşırı karmaşık yapı yok

PDK Notu

Eğer PDK'da parasitik BJT kalitesi düşükse (bazı proseslerde sorun olabilir), yedek plan: MOS subthreshold tabanlı referans. Ancak birincil plan her zaman opamp tabanlı bandgap olmalıdır.

5.4 BGR Blok Diyagramı ve Alt Hücreler

                    VDD (1.8V)
                       │
              ┌────────┴────────┐
              │                 │
         [bgr_opamp]      [bgr_startup]
              │                 │
              ▼                 ▼
         [bgr_core]────────────┘
         (Brokaw bandgap çekirdeği)
              │
         ┌────┴────┐
         │         │
    VREF_1P25   [bgr_iref16u]
    (1.25V)     (16 µA akım aynası)
                   │
              [bgr_trim]
              (3-bit direnç düzeltme)
                   │
              IREF_16U → AFE bias dağıtımı

Blok 1: bgr_core (Bandgap Çekirdeği)

Ne yapar: PTAT ve CTAT bileşenlerini birleştirerek sıcaklıktan bağımsız 1.25V referans gerilimi üretir.

İçerik:
- BJT çifti (farklı akım yoğunluğunda) → ΔVBE üretimi
- Direnç ağı → PTAT akım → VBE ile dengeleme
- Opamp geri beslemesi → VREF stabilizasyonu

Kritik tasarım parametreleri:
- BJT alan oranı (1:N) → ΔVBE büyüklüğünü belirler
- Direnç oranı → PTAT katsayısını (K) belirler
- Her ikisinin doğru seçimi → TC'nin minimizasyonu

Blok 2: bgr_opamp (İşlemsel Yükselteç)

Ne yapar: Bandgap çekirdeğindeki iki düğüm arasındaki gerilim farkını sıfıra zorlar (negatif geri besleme). Bu sayede VREF hassas olarak 1.25V'ta sabitlenir.

Kritik parametreler:
- Yüksek kazanç → Line regulation iyileşir
- Yeterli faz marjı (≥60°) → Kararlılık (osilasyon yok)
- Düşük offset → VREF doğruluğu
- Yüksek PSRR → Besleme gürültüsü bastırma

Blok 3: bgr_startup (Başlatma Devresi)

Ne yapar: Bandgap'ın güç açılışında yanlış dengeye oturmasını önler.

Problem: Bandgap devresinin iki kararlı noktası vardır:
1. Doğru denge: VREF ≈ 1.25V, tüm transistörler doyumda ✓
2. Yanlış denge: Tüm akımlar sıfır, VREF = 0V ✗

Çözüm: Start-up devresi güç açılışında devreye bir "itme" vererek doğru dengeye yönlendirir. Doğru denge kurulduktan sonra kendini devre dışı bırakır.

Test: BGR-05 — Transient power-on simülasyonu. VDD'nin 0V'dan 1.8V'a yükselme sırasında VREF'in güvenli şekilde 1.25V'a oturduğu doğrulanır.

Blok 4: bgr_iref16u (Referans Akım Aynası)

Ne yapar: Bandgap çekirdeğindeki referans akımını 16 µA olarak kopyalar ve AFE'ye dağıtır.

Tasarım dikkat noktaları:
- Akım aynası matching'i kritik (common-centroid layout)
- Kaskot yapı ile çıkış empedansı artırılabilir
- Sıcaklık bağımlılığı minimize edilmeli

Blok 5: bgr_trim (Kalibrasyon Ağı)

Ne yapar: Proses varyasyonlarından kaynaklanan VREF ve TC sapmalarını düzeltir.

Mekanizma: 3-bit dijital kontrol ile direnç oranı ince ayarı yapılır.

3-bit trim → 2³ = 8 farklı direnç oranı kombinasyonu
Her kombinasyon VREF ve TC'yi farklı miktarda kaydırır
Üretim sonrası en iyi kombinasyon seçilerek kalibre edilir

Neden önemli: 15 ppm/°C hedefi trim olmadan zor sağlanır. Trim ağı, birincilik için ciddi avantaj sağlar.

5.5 BGR Performans Metrikleri Detay

Sıcaklık Katsayısı (TC)

Nedir: Referans geriliminin sıcaklıkla ne kadar değiştiğini gösteren ana performans metriği.

Formül:

TC (ppm/°C) = [(VREF_max - VREF_min) / (VREF_nom × ΔT)] × 10⁶

VREF_max  = -40°C ile 125°C arasındaki en yüksek VREF
VREF_min  = -40°C ile 125°C arasındaki en düşük VREF
VREF_nom  = 27°C'deki VREF (nominal)
ΔT        = 125 - (-40) = 165°C

Örnek hesaplama:

VREF_max = 1.2520V (@ -40°C)
VREF_min = 1.2480V (@ 125°C)
VREF_nom = 1.2500V (@ 27°C)

TC = [(1.2520 - 1.2480) / (1.2500 × 165)] × 10⁶
   = [0.004 / 206.25] × 10⁶
   = 19.4 ppm/°C  → FAIL (> 15 ppm/°C)

Bu durumda trim ağı ve direnç optimizasyonu ile TC düşürülmelidir.

Değerler:
- Şartname: ≤ 15 ppm/°C
- Tasarım hedefi: ≤ 10 ppm/°C (post-layout tamponu)

PSRR (Power Supply Rejection Ratio)

Nedir: Besleme hattındaki dalgalanmanın referans çıkışına ne kadar geçtiğini gösteren oran.

Formül:

PSRR (dB) = 20 × log₁₀(ΔVREF / ΔVDD)

ΔVDD  = Beslemeye enjekte edilen AC sinyal genliği
ΔVREF = VREF'teki sonuç dalgalanma

Ölçüm yöntemi: AC injection — VDD hattına küçük AC sinyal enjekte edilir, VREF'teki dalgalanma frekansa göre ölçülür.

Frekans aralığı: 1 Hz - 10 GHz (çok geniş bant!)

PSRR iyileştirme yöntemleri:
1. Kaskot (cascode) bias yolu: Besleme ile referans arasındaki izolasyonu artırır
2. Yerel besleme filtreleme: VDD hattına RC filtre ekleme
3. Opamp kazancını yüksek tutma: Geri besleme döngüsü bastırmayı artırır

Line Regulation (Hat Regülasyonu)

Nedir: VDD değişimlerinin VREF'e etkisi.

Ölçüm: VDD'yi 1.62V'dan 1.98V'a sweep ederek VREF değişimini gözleme.

İdeal: VREF hiç değişmemeli. Pratikte çok küçük değişim kabul edilir.

Start-up Güvenliği

Ölçüm: Transient simülasyonda VDD'nin 0V → 1.8V rampa ile yükselmesi sırasında VREF'in doğru dengeye (1.25V) oturması gözlenir.

Başarısızlık durumu: VREF = 0V'da kalır (yanlış denge) → Start-up devresi düzeltilmeli.

5.6 BGR Doğrulama Test Matrisi

5.7 BGR Tasarım İpuçları

TC Optimizasyonu

1. BJT alan oranını (1:N) optimize et — tipik N = 8
2. Direnç oranlarını hassas ayarla
3. Trim ağı ile fine-tuning sağla
4. Temp sweep otomasyonunu erken kur (Sprint-2'de)

PSRR Optimizasyonu

1. Kaskot bias yolu kullan (besleme izolasyonu)
2. Yerel RC filtreleme ekle
3. Opamp kazanç ve faz marjını yüksek tut
4. PSRR testini en erken sprintte çalıştır

Risk Yönetimi

• R2 (TC hedefi kaçırılır): Trim ağı + matching odaklı layout + erken temp sweep
• R3 (PSRR yetersiz): Kaskotlama + filtreleme + opamp kazanç iyileştirme

5.8 Bu Adımı Tamamladığını Nasıl Anlarsın?

• [ ] Bandgap çalışma prensibini (VBE + K×ΔVBE = 1.25V) açıklayabilir misin?
• [ ] BGR'daki 5 alt bloğu ve görevlerini sayabilir misin?
• [ ] TC formülünü yazıp örnek hesaplama yapabilir misin?
• [ ] PSRR nedir, nasıl ölçülür, nasıl iyileştirilir?
• [ ] Start-up devresi neden zorunlu ve ne yapar?
• [ ] Trim ağının rolü ve 3-bit mekanizması nedir?

Sonraki Adım

→ Adım 6: Simülasyon ve Doğrulama

İlgili sözlük terimleri: BGR, Brokaw, PTAT, VBE, TC, PSRR, Line Regulation, IREF, Start-up, Trim, Opamp, Akım Aynası, Kaskot, BJT, Doyum, Matching, Bias
Detaylı açıklamalar için → TERIMLER_SOZLUGU.md