Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi

1

AKIM MODLU İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ (COA) TASARIMI VE

UYGULAMALARI

Mustafa AltunTez Danışmanı: Hakan Kuntman

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü

Elektrik-Elektronik Fakültesi

İstanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, İstanbul

2

Taslak

Giriş COA (akım modlu işlemsel kuvvetlendirici) tanımı ve

tanım bağantıları Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri Önerilen COA yapıları ve benzetim sonuçları

Tek girişli çift çıkışlı COA yapıları Çift girişli çift çıkışlı (tamamen farksal) COA yapıları

Uygulama devreleri ve benzetim sonuçları Sonuçlar Kaynaklar

3

Giriş

Son yıllarda, aktif süzgeç, osilatör gibi analog devre bloklarının gerçekleştirilmesinde akım modlu devreler geleneksel gerilim modlu devrelerin yerini almaya başlamıştır .

Gerilim modlu çalışmayla kıyaslandığında akım modlu çalışmanın önemli üstünlükleri bulunmaktadır [1, 2]; Akım modlu devrelerin genellikle frekans cevapları ve hızları

daha iyidir. Akım modlu devreler daha düşük besleme gerilimlerinde

çalışabilmekte ve daha az güç tüketmektedirler. Matematiksel işlemler (toplama,çıkarma, çarpma...vb.) akım

modlu olarak daha kolay yapılabilmektedir.

4

Giriş

Litaratürde değişik akım modlu devre blokları önerilmiş ve bunlardan bazıları ticari olarak da üretilmektedir (akım taşıyıcı ve akım geribeslemeli işlemsel kuvvetlendirici)

Akım modlu işlemsel kuvvetlendirici (COA) diğer bir önemli yapı bloğudur.

COA kullanımının en çekici yönlerinden biri, neredeyse bütün OPAMP-RC devrelerinin bitişik dönüşüm yöntemiyle (adjoint network principle) COA-RC olarak gerçeklenebilmesidir [3, 4].

5

Giriş

COA’nın hem giriş hem de çıkış işareti akım boyutundadır. Diğer bir ifadeyle gerçek akım modlu aktif elemandır. Böylece COA tabanlı akım modlu devreler tampon devresi eklemeksizin art arda bağlanabilir.

Bu çalışmada tümdevre olarak gerçeklenmeye uygun 4 adet CMOS COA yapısı önerilmiştir ve yapıların hiçbirinde direnç elemanı kullanılmamıştır.

Bu 4 yapıdan 2 tanesi tek girişli (COA-1 ve COA-2) 2 tanesi tamamen farksaldır (COA-3 ve COA-4).

6

COA tanımı ve tanım bağıntıları

COA

oI

oI

orii IAiI

iIoI

oI

ir

COA

oI

oI

iI

iI

oI

oI

or)( iii IIA

ir

ir

iI

iI

o

o

in

in

ii

ii

o

o

in

in

V

V

I

I

AA

AA

I

I

V

V

00

00

0000

0000

o

o

in

i

i

o

o

in

V

V

I

A

A

I

I

V

00

00

000

Şekil-1 Tek girişli COA sembolü, eşdeğer devresi ve tanım bağıntıları

Şekil-2 Çift girişli COA sembolü, eşdeğer devresi ve tanım bağıntıları

7

COA tanımı ve tanım bağıntıları İdealde, akım modlu işlemsel kuvvetlendiricinin

giriş direnci sıfır, akım kazancı (Ai) ve çıkış direnci sonsuz olmalıdır.

Uygulama devrelerinde çift girişli çift çıkışlı (tümüyle farksal) COA’ ların kullanımı tek girişli çift çıkışlı COA’ların kullanımı ile kıyaslandığında daha elverişlidir; Gürültü performansı daha iyi Düşük distorsiyon Yüksek dinamik çalışma aralığı Uygulamada esnek kullanım

8

Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri Gerilim veya akım modlu analog yapı bloklarının idealde

giriş veya çıkış dirençleri sıfır veya sonsuzdur. İdeale daha yakın empedans değerleri elde etmek

amacıyla geribesleme – feedback yöntemine başvurulmuştur.

Geribesleme pozitif ve negatif olmak 2 türlüdür ve bu 2 tür besleme de empedans iyileştirmek için kullanılabilir.

Herhangi bir x düğümünden görülen direnç değeri - rx negatif veya pozitif geribesleme kullanılarak arttırılabilir veya azaltılabilir.

rx1 geribeslemesiz halde rx2 ise geribesleme uygulanarak x

düğümünden görülen direnç değerleridir.

9

Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri

Bu yöntem akım girişli analog yapı bloklarında giriş direncini iyileştirmek için kullanılmaktadır.

β genellikle diferansiyel kat ile gerçeklenir ve karalılık açısından kompanzasyon kapasitesine genellikle ihtiyaç duyulur.

rx1

β

Ix Vx

Şekil-3 Negatif geribesleme ile rx direnç değerini düşürme yöntemi

11

2 1

1x

xx

xx r

rI

Vr

Geribesleme kazancı β ne kadar büyük seçilirse o kadar küçük rx2 direnç değerleri elde edebiliriz.

10


Bu yöntem analog devrelerin çıkış dirençlerini veya kazançlarını arttırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Kaskot yapıları örnek olarak gösterebiliriz.

Şekil-4 Negatif geribesleme ile rx direnç değerini arttırma yöntemi

Geribesleme kazancı β ne kadar büyük seçilirse o kadar büyük rx2 direnç değerleri elde edebiliriz.

1/rx1

β

Vx Ix

11

2 1 xxx

xx r

rI

Vr

11


Geribesleme kazancı β teorik olarak rx1 değerine eşit seçilirse sıfır rx2 direnç değeri elde edilebilir. Fakat pratikte bu mümkün değildir.

Amacımız (1-β/rx1) değerini sıfıra yakın ve pozitif seçmektir. Kararlılık açısından (1-β/rx1)>0 olmalıdır.

Şekil-5 Pozitif geribesleme ile rx direnç değerini düşürme yöntemi

Pozitif geribesleme empedans iyileştirmek için önerilen diğer önemli bir yöntemdir [5].

1/rx1

β

Vx Ix

11

2 1 xxx

xx r

rI

Vr

12


Geribesleme kazancı β teorik olarak 1/rx1 değerine eşit seçilirse sonsuz rx2 direnç değeri elde edilebilir. Fakat pratikte bu mümkün değildir ve bu yöntemle çok yüksek rx2 değerleri elde etmek pek mümkün gözükmemektedir.

Şekil-6 Pozitif geribesleme ile rx direnç değerini arttırma yöntemi

rx1

β

Ix Vx

11

2 1

1x

xx

xx r

rI

Vr

13

Önerilen COA-1 yapısı

Önerilen COA yapısı [6] tek girişli, çift çıkışlıdır.

COA A sınıfı giriş ve çıkış katlarından oluşmaktadır.

Giriş katında M5, M4 ve M3 positif geribesleme çevrimini oluşturmakta ve giriş direncini düşürmektedir.

Çıkış katı katlı-kaskot yapıdır.

M11 direnç görevi görmekte ve frekans cevabını iyileştirmektedir

Şekil-7 COA-1’in şematik gösterimi

V b 1

I o +

V b 2

0

I o -

V b 4

M 1 3

M 8

M 4

M 9

M 1 7

M 1 0

M 1 9

M 1 6

M 2

M 1 4 M 1 5

M 1

M 5 M 1 8

M 1 2

M 3

M 7

V b 1

V S S

V b 5

M 1 1

M 2 0 M 2 2

V b 2

0

M 2 1

C cI in

V b 3

M 6

V D D

V S S

0

14


Literatürde önerilen diğer giriş direnci düşürme yöntemleri [7, 8] daha karışık devrelerle yapılmakta ve devrenin frekans cevabını kötüleştirmektedirler.

Giriş direnci denkleminde ikinci terimi sıfıra yakın bir değer seçebilirsek, aynı zamanda giriş direncini de sıfıra yaklaştırmış oluruz.

Giriş direnç değerinin pozitif olması karalılık açısından önemlidir. Teorik olarak (W/L)M2= (W/L)M3 ve (W/L)M4= (W/L)M5 seçtiğimizde

istenen iki durumu da sağlamış oluruz.

334

42552

2255

1

dsmds

mmdsmds

dsmdsmin ggg

ggggg

ggggr

15


Kararlılık sorununu tam anlamıyla çözebilmek için en kötü hal analizleri – Worst Case Analysis de yapılmalıdır.

Bu çalışmada akım kazanç faktörü – Current Gain Factor (K) ve eşik gerilimindeki – Threshold Volatge (VT) idealsizlikler göz önüne alınarak en kötü hal analizleri yapılmıştır.

Cc

gf

g

gg

g

gggA

g

gg

g

gggr

mGBW

m

dsds

m

dsdsmi

m

dsds

m

dsdsdsout

22

1

2

)0(

13,12

1

10

610

9

8913,12

1

21,19

16,1521,19

22,20

18,1713,1222,20

16

COA-1 benzetim sonuçları

Benzetimler SPICE programı ile yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS teknolojisi kullanılmış ve tranzistorlar yüksek doğruluklu BSIM3v3 ile modellenmiştir.

Tranzistor W(μm)/L(μm)

M1, M9 30/1.4

M2 10/0.7

M3 9.2/0.7

M4, M5, M6 5/0.7

M7, M8 11/1.4

M10 5/0.7

M11 9/1

M12, M13 80/1

M14 140/1.4

M15, M16 70/1.4

M17, M18 41/1

M19, M21 120/1.4

M20, M22 30/1

Tablo-2 COA-1 tranzistor boyutları

Parametre Değer

VDD – VSS +1.5 V, -1.5V

Vb1, Vb2 0.5V, 0.2V

Vb3, Vb4,Vb5 0.3V, -0.2V, -0.7V

ID1,2 15uA

ID12,13 100uA

ID17,18 200uA

Tablo-1 COA-1 DC değerler

17


Şekil-8. COA-1 giriş empedansı (Zin) genliği: (a) Önerilen giriş katı

1-Nominal hal (145Ω)2-En kötü hal - yüksek (228Ω)3- En kötü hal - düşük (66Ω)

(b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (5.54kΩ)

1.0E+0 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9 1.0E+10Frekans (H z)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

Zin

(k-

ohm

)

(a-1)

(a-2)

(a-3)

(b)

18


Şekil-9 COA-1’in açık çevrim frekans cevabı.

Şekil-9’a göre, Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 200 MHz Açık çevrim kazancı 100dB’ye yakın Faz payı 45˚ üzerinde

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9 1E+10

Frekans (H z)

-50.00

0.00

50.00

100.00

Ai (

dB)

0.00

200.00

Faz

(D

erec

e)

19


Şekil-10 COA-1’in kare dalga cevabı. Birim kazançlı geribesleme yapısına ±5 μA genlikli kare dalga uygulanmıştır (f=10MHz).

Parametre Değer

Güç Tüketimi 1.3 mW

Açık Çevrim Kazancı 95 dB

GBW 202 MHz

Faz Payı (Cc=0.3p, Rc=1.2k) 65˚

Çıkış Gerilimi Salınım Aralığı

±1 V

Yükselme Eğimi 10uA/ns

Giriş Direnci 145 Ω

Çıkış Direnci 11.2 MΩ

Giriş Gerilim Ofseti ≈ 2mV

Yüksek başarımlı basit bir COA elde edilmiştir.

Sükunet akımı yükselme eğimini sınırlamıştır.

Tablo-3 COA-1’in başarım parametreleri

0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00Zam an (ns)

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

Io (

uA)

20


Şekil-11 COA-2’nin şematik gösterimi

M 1 2

V S S

M 2 6

M 1 7

M 3 3

M 4

M 2 5

M 8

M 2 9

M 1 1

M 2 7

M 3

M 2

V b 2

M 2 1

M 1

V b 1

I o +

0

0

M 3 5M 7

V S S

M 5

M 1 0

I o -

M 2 2

M 6

0

M 1 3 M 1 4

V b 2

M 1 5

M 3 4

M 9

M 2 8

M 1 8

V b 1

C c

V b 1

M 1 9

V D D

M 3 1

0

M 1 6

M 2 0

I in

M 2 3

M 2 4

0

M 3 0

V S S

M 3 2

21


Önerilen COA-2 yapısı [9] AB sınıfı giriş ve A sınıfı çıkış katlarından oluşmaktadır.

Giriş katında kesikli çizgilerle içinde gösterilen tranzistorler pozitif geribesleme çevrimlerini oluşturmakta ve giriş direncini düşürmektedir.

Literatürde akım modlu AB sınıfı giriş katının giriş direncini düşürmek için bir yapı önerilmiştir [10]. Fakat bu yapı önerilen yapıya oranla oldukça karmaşıktır ve yapıda kompanzasyon kapasitesi kullanılmıştır.

K kazancı tasarımda esneklik sağlamaktadır. Katlı-kaskot (folded-cascode) OPAMP literatürdeki COA yapılarında çıkış katı olarak tercih edilmektedir [11]. Önerilen çıkış katı katlı-kaskot yapıya göre genellikle daha hızıdır ve bandgenişliği daha iyidir [12].

26272829 )//()/()//()/( MMMM LWLWLWLWK

22


1

16

1416

15

111523,22

2)0(

m

dsds

m

dsdsmi g

gg

g

gggKA

Cc

gKf m

GBW 22

1 23,22

outCSm

c

d rgA

ACMRR 23,22

Aşağıdaki denklemde görüldüğü üzere CMRR doğrudan akım kaynağının (kesikli çizgiler içindeki) çıkış direncine bağlıdır.

Yüksek çıkış dirençli ve salınımlı akım kaynağı – wide swing current source kullanılarak CMRR değeri oldukça arttırılmış ve böylece literatürdeki CMRR arttırma yöntemlerine [13, 14] göre daha basit-kullanışlı bir yöntem uygulanmıştır.

K akım kazancı değerini arttırarak daha yüksek kazanç ve kazanç-bandgenişliği değerleri elde edebiliriz.

23



Tranzistor W(μm)/L(μm)M1 6/1M4 5/1

M2,5,6 15/0.7M3,7,8 10/0.7

M9, 10,11 15/1M12,13,14 7/1

M15 50/1M16 9/1M17 15/07M18 50/2.8M19 10/2.8M20 2.8/2.8M21 14/2.8

M22,23 60/0.7M24 60/1.4M25 140/1.4

M26,28 15/0.7M27,29 45/0.7M30,31 85/1.4M32,33 80/1.4M34,35 20/1



Parametre Değer

VDD – VSS +1.5 V, -1.5V

Vb1, Vb2 0.5V, -0.8V

ID1, ID4, ID5, ID7 10uA

ID22, ID23 40uA

ID29, ID30 120uA

24


Şekil-12. COA-2 giriş empedansı (Zin) genliği: (a) Önerilen giriş katı

1-Nominal case (123Ω)2-En kötü hal - yüksek (232Ω)3- En kötü hal - düşük (9Ω)

(b) Geleneksel AB sınıfı giriş katı (3.1kΩ)


0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Zin

(k-

ohm

) (a-1)

(a-2)

(a-3)

(b)

25


Şekil-13. COA-2 CMRR genliği: (a) Önerilen COA-yüksek salınımlı akım kaynağı kulanılarak (b) COA- kaskot akım kaynağı kulanılarak (c) COA-basit akım kaynağı kulanılarak


0.0

40.0

80.0

120.0

CM

RR

(dB

)

(a)(b)

(c)

26


Şekil-14 COA-2’nin açık çevrim frekans cevabı.

Şekil-14’e göre, Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 100 MHz Açık çevrim kazancı 110dB’de yakın Faz payı 45˚ üzerinde


-40.0

0.0

40.0

80.0

120.0

Ai (

dB)

-100.0

0.0

100.0

200.0

Faz

(D

erec

e)

27


Parametre Değer



GBW 102 MHz

Faz Payı (Cc=0.8p, Rc=2k) 60˚


±0.7 V


Giriş Direnci 123 Ω

Çıkış Direnci 14 MΩ

CMRR 113 dB

Giriş Gerilim Ofseti ≈ 1.6mV

Şekil-15 COA-2’nin kare dalga cevabı. Birim kazançlı geribesleme yapısına ±100 μA genlikli kare dalga uygulanmıştır (f=10MHz).

Giriş katı AB sınıfı olan yüksek CMRR ve düşük giriş dirençli COA elde edilmiştir.

Tablo-6 COA-2’nin başarım parametreleri

0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00Zam an (ns)

-120.0

-80.0

-40.0

0.0

40.0

80.0

120.0

Io (

uA)

28


Şekil-16 COA-3’ün şematik gösterimi

M 1V S S

M 1 4

M 2 0

I in +

M 3

V b 1

0

M 5

C c

M 1 1

M 1 0

M 2

V b 2

V b 3

M 9

V b 4

M 4

M 8

V D D

0

V b 3M 6

I o +

M 1 6

M 7

M 2 5

M 2 3

I o -

M 2 2

0

V b 3

M 2 7

M 2 1

V b 1

M 1 5

M 2 4

M 1 3

I in -

V b 2

V b 2

M 2 6

V S S

M 1 9V b 4

M 1 2

M 1 7

M 1 8

29


Önerilen COA-3 yapısı [15] tamamen farsksaldır. COA-3 yapısının giriş katı M1 – M16 tranzistorlerinden

oluşmaktadır ve negatif giriş ucu için M1, M2, M3 ve M4, pozitif giriş ucu için M9, M10, M11 ve M12 pozitif geribesleme çevrimlerini oluşturmakta ve giriş direncini düşürmektedir.

COA-3 yapısının çıkış katı M18 – M27 trazistorlerinden oluşmaktadır ve temelde Arbel Goldminz çıkış katından [16] yararlanılmıştır.

Klasik Arbel Goldminz katının çıkış direnci aşağıdaki denklemle ifade edilir

1

2223

2322

2021

2120

mm

dsm

mm

dsmoutout gg

gg

gg

ggrr

30


Önerilen COA yapısının çıkış direnci ise,

1

15

1615

14

13142220

2)0(

m

dsds

m

dsdsmmi g

gg

g

ggggA

1

222327

272322

202125

252120

mmm

dsdsm

mmm

dsdsmoutout ggg

ggg

ggg

gggrr

Çıkış direnci gmro oranında (30-40 kat) iyileştirimiştir.

Bu iyileştirme aynı zamanda COA-3 çıkış gerilim salınımını VDSsat kadar düşürmüştür. Başka bir ifadeyle COA’nın sürebileceği maksimum direnç değeri düşmüştür.

Cc

ggf mmGBW 22

1 2220

31




M1, M2, M15 20/0.7

M3, M4, M5, M6 20/1

M7, M17 10/0.7

M8 27/0.7

M9, M10 15/0.7

M11, M12, M13 20/1.4

M14 40/1.4

M16 17.8/1.4

M18 118/1

M19 47/1

M20, M21 75/1

M22, M23 40/0.7

M24, M25 100/1

M26, M27 60/0.7



Parametre Değer

VDD – VSS ±1.5 V

Vb1, Vb2 0.6V, -0.3V

Vb3, Vb4 0.3V, -0.8V

ID8, ID16 30uA

ID18, ID19 100uA

32


Şekil-17. Giriş empedansı(n) genliği: (a) Önerilen giriş katı



1.0E+0 1.0E+1 1.0E+2 1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9 1.0E+10Frequency (H z)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Inpu

t Im

peda

nce(

k-oh

m)

(a-1)

(a-2)

(a-3)

(b)

Frekans (Hz)

Zin

-n (

k-oh

m)

33


Şekil-18. Giriş empedansı(p) genliği: (a) Önerilen giriş katı




0.0

1.0

2.0

3.0

Zin

-p (

k-oh

m)

(a-1)

(a-2)

(a-3)

(b)

34


Şekil-19 COA-3’ün açık çevrim frekans cevabı.

Şekil-19’a göre, Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 90 MHz Açık çevrim kazancı 100dB’de yakın Faz payı 45˚ üzerinde


-50.00

0.00

50.00

100.00

Ai (

dB)

-100.00

0.00

100.00

200.00

Faz

(D

erec

e)

35


Parametre Değer



GBW 92 MHz



±0.6 V


Giriş Direnci (n) 124 Ω

Giriş Direnci (p) 109 Ω

Çıkış Direnci 30 MΩ

Giriş Gerilim Ofseti (n), (p) ≈ 1.6mV, -3.5mV

Şekil-20 COA-3’ün kare dalga cevabı. Birim kazançlı geribesleme yapısına ±5 μA genlikli kare dalga uygulanmıştır (f=5MHz).

Tamamen farksal yüksek başarımlı bir COA tasarlanmıştır.

Tablo-9 COA-3’ün başarım parametreleri

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00Zam an (ns)

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

Io (

uA)

36


Şekil-21 COA-4’ün şematik gösterimi

I b

M 2 5

I b

M 9

M 3 1

I b

M 1 6

V D D

I b

M 3 7

I in -

M 1 9

0

M 6

I b

M 1 7 M 2 9

M 3 0M 7

M 4 M 2 7

M 2 8

M 2 2

M 5M 1

0

M 2

V S S

M 8

M 1 5

0

M 3

M 2 4

M 2 1

I o +

M 1 2

M 1 3

I b

C c

M 1 1

M 3 4

M 1 4

M 3 2

V S S

M 3 6M 2 6

I in +

I b

I o -

M 2 0

0

M 1 0

M 3 5

M 2 3

M 1 8

M 3 3

I b

37


Önerilen COA-4 yapısı AB sınıfı giriş ve çıkış katlarından oluşmaktadır ve yüksek kapasiteleri sürmek için elverişlidir.

Literatürdeki tamamen farksal COA yapılarıyla [17-19] karşılaştırıldığında hem yeterince hızlı hem de yüksek frekanslarda (GBW>50MHz) çalışabilen tek yapıdır.

Süzgeçlerde yüksek çıkış empedanslı yapı blokları kullanılarak çok düşük frekanslarda filtreleme yapılabilir ve filtreleme hataları – Filtering errors azaltılabilir [20, 21].

Literatürde COA tabanlı filtre yapıları önerilmiştir [22-24]. Gerek bu yapılarda gerekse COA tabanlı yeni filtre gerçeklemeleri

için yüksek empedanslı bir COA tasarımı uygun olacaktır. Önerilen COA-4 yapısının çıkış direnci çok yüksek değerlidir.

38


Yapının pozitif ve negatif girişler için direnç ifadeleri aşağıdaki gibidir.

COA-4’ün çıkış katı M14 – M37 trazistorlerinden oluşmaktadır. Devrenin çıkış direncini iyileştirmek için ayarlı kaskot – Regulated

Cascode (RGC) yapısı [25] kullanılmıştır. Önerilen COA yapısının çıkış dirençleri ise,

1

2528

252228

2426

241926

mm

dsdsds

mm

dsdsdsoutout gg

ggg

gg

gggrr

Çıkış direnci kaskot yapıya oranla gmro kat iyileştirilmiştir.

65

1

mmin ggr

43

1

mmin ggr

39




M2, M4, M6, M14 M15,

M16, M17, M28, M28, M37

20/0.7

M1, M3, M5, M18, M19,

M20, M24, M26, M27, M30,

M31, M34, M36

30/0.7

M21, M22, M23, M25, M32,

M33, M35

10/0.7

M7, M8 30/1

M9, M10 10/1

M11 20/1.4

M12 40/1.4



Parametre Değer

VDD – VSS ±1.5 V

Ib 20μA

DC kaynak olarak besleme gerilimlerinin dışında gerilim kaynağı kullanılmamıştır.

40


Şekil-22 COA-4’ün açık çevrim frekans cevabı.

Şekil-22’ye göre, Birim kazanç band-genişliği 90 MHz’e yakın Açık çevrim kazancı yaklaşık 100dB Faz payı 45˚ üzerinde


-40.0

0.0

40.0

80.0

120.0

Ai (

dB)

-100.0

0.0

100.0

200.0

Faz

(D

erec

e)

41


Şekil-23 Birim kazançlı geribesleme yapısında, COA-4’ün giriş-çıkış akım karakteristiği .

Şekil-23’e göre, Önerilen COA-4 yapısı -350μA ile +350μA giriş akım aralığında

lineer olarak çalışmaktadır (20μA lik sükunet akımıyla).

-600.0 -400.0 -200.0 0.0 200.0 400.0 600.0Iin (uA )

-400.0

-200.0

0.0

200.0

400.0

Io (

uA)

42


Parametre Değer



GBW 85 MHz



±1 V

Çıkış AkımSalınım Aralığı

±250 uA


Giriş Direnci (n), (p) 1.6 kΩ

Çıkış Direnci (n), (p) 6.1 GΩ

Giriş Gerilim Ofseti (n), (p) ≈ 0.1mV

Şekil-24 COA-4’ün kare dalga cevabı. Birim kazançlı geribesleme yapısına ±200 μA genlikli kare dalga uygulanmıştır (f=1MHz).

AB sınıfı giriş ve çıkış katlarından oluşan bir COA tasarlanmıştır. Yüksek kapasiteleri sürebilmektedir

Tablo-12 COA-4’ün başarım parametreleri

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00Zam an (us)

-200.0

-100.0

0.0

100.0

200.0

Io (

uA)

43

Uygulama devresi-1

Şekil-25 Band-geçiren çoklu geribeslemeli (multiple feedback) COA tabanlı filtre yapısı

31221221

212

11

111

1

RRRCCRCC

CCss

CRs

V

V

in

out

31221

111

RRRCCwo

312

21

221 11

RRCC

RCCQ

Süzgeç benzetimlerinde Şekil-7 deki COA-1 yapısı kullanılmıştır.

44

Uygulama devresi-1

Şekil-26 Önerilen band-geçiren süzgecin (BGS) frekans cevabı

fo=10Mhz.

Şekil-27 BGS’in toplam harmonik distorsiyon (THD) değerlerinin girişe uygulanan işaretin tepeden tepeye

genliğiyle değişimi (f=10MHz)

1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 1.0E+9Frequency (H z)

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

Vol

tage

Gai

n (d

B)

S im ula ted

Ideal

İdeal

Benzetim

Frekans (Hz)

Ge

rilim

Ka

zan

cı (

dB

)

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00Tepeden Tepeye G iriş G erilim i (V )

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

TH

D (

%)

45

Uygulama devresi-2

Şekil-28 (a) COA tabanlı alçak geçiren süzgeç yapısı

(b) COA tabanlı yüksek geçiren süzgeç yapısı

R1C1

C2

R2R3

COA

+

+_

_ Iout

Iin(a)

COA

+

+_

_ Iout

Iin

C4

C5

C6R5

R4

(b)

Önerilen alçak-geçiren süzgeç (AGS) – Low-Pass Filter (LP) ve yüksek geçiren süzgeç (YGS) - High-Pass Filter (HP) için eşleşme koşulları aşağıda verilmiştir: AGS gerçeklemesi için:

R1=R3=RLP, C1=C2=CLP YGS gerçeklemesi için:

R4=R5=RHP, C4=C6=CHP Süzgeç benzetimlerinde

Şekil-16 deki COA-3 yapısı kullanılmıştır.

46

Uygulama devresi-2

222

2

22

2

112

1

LPLPLP

LPLP

in

LPout

CRRCRss

CRR

i

i

222

1

LPLPo CRRw

LPR

RQ

22

52

2

2

22

CCRCRss

s

i

i

HPHPHPHP

in

HPout

52

2

CCRw

HPHPo

52C

CQ HP

Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü üzere, AGS’in wo ve Q değerleri birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir.

Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü ğzere, YGS’in wo ve Q değerleri

birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir.

47

Uygulama devresi-2

Şekil-29 Önerilen band-geçiren süzgecin (BGS) benzetim ve ideal haldeki frekans

cevapları fo=1Mhz.

Şekil-30 BGS’in toplam harmonik distorsiyon (THD) değerlerinin girişe uygulanan işaretin tepeden tepeye

genliğiyle değişimi (f=1MHz) Benzetimlerde alçak ve yüksek geçiren filtreler ard arda

bağlanarak band geçiren süzgeç yapısı elde edilmiştir.

1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8Frequency (H z)

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

Cur

rent

Gai

n (d

B)

S im ula ted

Ideal

Frekans (Hz)

İdeal

Benzetim

Akı

n K

aza

ncı

(dB

)

0.00 40.00 80.00 120.00 160.00 200.00 240.00Tepeden Tepeye G iriş Akım ı (uA )

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

TH

D (

%)

48

Uygulama devresi-3

Şekil-31 COA tabanlı 2. dereceden band-söndüren süzgeç (BSS) yapısı

Süzgeç benzetimlerinde Şekil-21 deki COA-4 yapısı kullanılmıştır. Önerilen band-söndüren süzgeç (BSS) – Band-Stop Filter (BS) için

eşleşme koşulları aşağıda verilmiştir: BSS gerçeklemesi için: R2 = R1/2, C1 = C2/2

R2 C2

C1

R1 COA

+

+_

_ Iout

Iin

21

2212

2

21

22

2

4

124

1

)(

CRCRss

CRs

i

isA

in

out

49

Uygulama devresi-3

Şekil-32 Önerilen band-söndüren süzgecin (BSS) benzetim ve ideal haldeki

frekans cevapları fo=400 kHz

Şekil-33 BSS’in toplam harmonik distorsiyon (THD) değerlerinin girişe uygulanan işaretin tepeden tepeye

genliğiyle değişimi (f=10kHz)

1.0E+3 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8Frekans (H z)

-80.0

-70.0

-60.0

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0.0

10.0

Akı

m K

azan

cı (

dB) B enzetim

İdeal

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0Tepeden Tepeye G iriş Akım ı (uA )

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

TH

D (

%)

50

Sonuç

Bu çalışmada 4 yeni akım modlu işlemsel kuvvetlendirici (COA) yapısı önerilmiştir.

İki tanesi tek girişli iki tanesi çift girişlidir. Litaratürdeki devrelerle karşılaştırdıklarında herbirinin değişik kullanım faydaları vardır.

Akım modlu devrelerden beklenen yeterince geniş band genişliği 4 COA için de sağlanmıştır.

Bu çalışmada önerilen giriş-çıkış katları ve empedans iyileştirme yöntemleri diğer akım-modlu yapılarda da kullanılabilir.

Tasarlanan COA ların başarımlarını sınamak için 3 uygulama devresi (filtre yapıları) kullanılmıştır.

CMOS modellerinde BSIM 3v3 parametre setleri (yüksek doğruluklu) kullanılmıştır.

Benzetim sonuçları idealle yüksek başarımda örtüşmektedir

51

Kaynaklar

[1] Palmisano, G., Palumbo, G. and Pennisi S., 1999. CMOS Current Amplifiers, Kluwer Academic Publishers, Boston MA.

[2] Toumazou, C., Lidjey, F.J. and Haigh, D., 1990. Analog IC Design: the Current-Mode Approach, Peter Peregrinus Ltd, London.

[3] Roberts, G.W. and Sedra, A.S., 1992. A General Class of Current Amplifier-Based Biquadratic Filter Circuits, IEEE Trans. Circuits Syst., 39, 257-263.

[4] Roberts, G.W. and Sedra, A.S., 1989. Adjoint Networks Revisited, Proceedings of ISCAS, vol. 1, pp. 540-544.

[5] Wang, W., 1996. Wideband Class AB (push-pull) Current Amplifier in CMOS Technology, Electronics Letters, 26, 543-545.

[6] Altun, M. and Kuntman, H., 2006. A Wideband CMOS Current-Mode Operational Amplifier and Its Use for Band-Pass Filter Realization, Proceedings of Applied Electronics, Pilsen, pp. 3-6.

[7] Surakampontorn, W., Riewruja, V., Kumwachara, K. and Dejhan, K., 1991. Accurate CMOS-Based Current Conveyors, IEEE Trans. Instrum. Meas., 40, 609-702.

[8] Palmisano, G. and Palumbo, G., 1995. A Simple CMOS CCII+, International Journal of Circuit Theory and Applications, 23, 599-603.

[9] Altun, M. and Kuntman, H., 2007. High CMRR Current Mode Operational Amplifier with a Novel Class AB Input Stage, Proceedings of the 2007 ACM Great Lakes Symposium on VLSI (GLSVLSI 2007), Stresa, pp. 192-195.

52

Kaynaklar

[10] Kurashina, T., Ogawa, S. and Watanabe, K., 1998. A high performance class AB current conveyor, ISCAS 98, Monterey, Florida, 31 May – 03 June.

[11] Abou-Allam, E. and El-Masry, E., 1997. A 200 MHz Steered Current Operational Amplifier in 1.2-μm CMOS Technology, IEEE J. Solid-State Circuits, 32, 245-249.

[12] Johns, D. and Martin, K., 1997. Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc., Cloth.

[13] Abou-Allam, E. and El-Masry, E., 1994. High CMRR CMOS Current Operational Amplifier, Electronics Letters, 30, 1042-1043.

[14] Luzzi, R., Pennisi, S. and Scotti, G., 2005. 2-V CMOS current operational amplifier with high CMRR, ECCTD 2005, Cork, Ireland, 29 Agust - 02 September.

[15] Altun, M. and Kuntman, H., 2007. Design of a Fully Differential Current Mode Operational Amplifier with Improved Input-Output Impedances and Its Filter Applications, Accepted for Publication in AEU: International Journal of Electronics and Communications, A06-339.

[16] Arbel, A.F. and Goldminz, L., 1992. Output Stage for Current-Mode Feedback Amplifiers Theory and Applications, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2, 243-255.

[17] Kaulberg, T., 1993. A CMOS Current-Mode Operational Amplifier, IEEE J. Solid-State Circuits, 28, 849-852.

53

Kaynaklar

[18] Cheng, K.H. and Wang, H.C., 1997. Design of Current Mode Operational Amplifier with Differential Input and Differential Output, Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Hong Kong, pp. 153-156.

[19] Jun, S. and Kim, D.M., 1998. Fully Differential Current Operational Amplifier, Electronics Letters, 34, 62-63.

[20] Khorramaraoi, H. and Gray, P.R., 1984. High-Frequency CMOS Continues Time Filters, IEEE J, Solid Slate Circuits, 19, 939-948.

[21] Zeki, A. and Kuntman, H., 1999. High-Output-Impedance CMOS Dual-Output OTA Suitable for Wide-Range Continuous-Time Filtering Applications, Electronics Letters, 16, 1295-1296.

[22] Souliotis, G., Chrisanthopoulos, A. and Haritantis, L., 2001. Current Differential Amplifiers: New Circuits and Applications, Int. J. Circ. Theor. Appl., 29, 553 – 574.

[23] Kilinc, S. and Cam, U., 2004. Current-Mode First-Order Allpass Filter Employing Single Current Operational Amplifier, Journal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 41, 4147-4153.

[24] Kılınç, S. ve Cam, U., 2003. Akım modlu alçak ve yüksek geçiren süzgeçlerin akım işlemsel kuvvetlendirici ile gerçeklenmesi, Elektrik, Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, İstanbul, 18-21 Eylül.

[25] Sackinger, E. and Guogbniiuhl, W., 1990. A High Swing High Impedance MOS. Cascode Circuit, IEEE J, Solid Slate Circuits, 25, 289-298.

54

TEŞEKKÜRLER

Documents

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi