1 / 54

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi

AKIM MODLU İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ (COA) TASARIMI VE UYGULAMALARI Mustafa Altun Tez Danışmanı: Hakan Kuntman. Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi İstanbul Teknik Üniversitesi, 34469, Maslak, İstanbul. Taslak. Giriş

Download Presentation

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. AKIM MODLU İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ (COA) TASARIMI VE UYGULAMALARIMustafa 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 Şekil-1 Tek girişli COA sembolü, eşdeğer devresive tanım bağıntıları Şekil-2Çift girişli COA sembolü, eşdeğer devresive 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 empedansıiyileştirme 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 empedansıiyileştirme 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. • Geribesleme kazancı β ne kadar büyük seçilirse o kadar küçük rx2 direnç değerleri elde edebiliriz. Şekil-3Negatif geribesleme ile rx direnç değerini düşürme yöntemi

  10. Giriş ve çıkış empedansıiyileştirme yöntemleri • Bu yöntem analog devrelerin çıkış dirençlerini veya kazançlarını arttırmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Kaskot yapıları örnek olarak gösterebiliriz. • Geribesleme kazancı β ne kadar büyük seçilirse o kadar büyük rx2direnç değerleri elde edebiliriz. Şekil-4Negatif geribesleme ile rx direnç değerini arttırma yöntemi

  11. Giriş ve çıkış empedansıiyileştirme yöntemleri • 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)>0olmalıdır. • Pozitif geribesleme empedans iyileştirmek için önerilen diğer önemli bir yöntemdir [5]. Şekil-5Pozitif geribesleme ile rx direnç değerini düşürme yöntemi

  12. Giriş ve çıkış empedansıiyileştirme yöntemleri • Geribesleme kazancı β teorik olarak 1/rx1 değerine eşit seçilirse sonsuz rx2direnç değeri elde edilebilir. Fakat pratikte bu mümkün değildir ve bu yöntemle çok yüksek rx2değerleri elde etmek pek mümkün gözükmemektedir. Şekil-6Pozitif geribesleme ile rx direnç değerini arttırma yöntemi

  13. Önerilen COA-1yapısı • 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-7COA-1’in şematik gösterimi

  14. Önerilen COA-1 yapısı • 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)M3ve (W/L)M4= (W/L)M5 seçtiğimizde istenen iki durumu da sağlamış oluruz.

  15. Önerilen COA-1 yapısı • 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.

  16. COA-1benzetim sonuçları • Benzetimler SPICE programı ile yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS teknolojisi kullanılmış ve tranzistorlar yüksek doğruluklu BSIM3v3 ile modellenmiştir. Tablo-2 COA-1 tranzistor boyutları Tablo-1 COA-1 DC değerler

  17. COA-1benzetim sonuçları 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)

  18. COA-1benzetim sonuçları • Şekil-9’a göre, • Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 200 MHz • Açık çevrim kazancı 100dB’ye yakın • Faz payı 45˚ üzerinde Şekil-9COA-1’in açık çevrim frekans cevabı.

  19. COA-1benzetim sonuçları Tablo-3 COA-1’in başarım parametreleri Şekil-10 COA-1’in kare dalga cevabı. Birim kazançlı geribesleme yapısına ±5 μA genlikli kare dalga uygulanmıştır (f=10MHz). • Yüksek başarımlı basit bir COA elde edilmiştir. • Sükunet akımı yükselme eğimini sınırlamıştır.

  20. Önerilen COA-2yapısı Şekil-11COA-2’nin şematik gösterimi

  21. Önerilen COA-2 yapısı • 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].

  22. Önerilen COA-2 yapısı • 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. COA-2benzetim sonuçları Tablo-5 COA-2 tranzistor boyutları • Benzetimler SPICE programı ile yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS teknolojisi kullanılmış ve tranzistorlar yüksek doğruluklu BSIM3v3 ile modellenmiştir. Tablo-4 COA-2 DC değerler

  24. COA-2benzetim sonuçları 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)

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

  26. COA-2benzetim sonuçları • Şekil-14’e göre, • Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 100 MHz • Açık çevrim kazancı 110dB’de yakın • Faz payı 45˚ üzerinde Şekil-14COA-2’nin açık çevrim frekans cevabı.

  27. COA-2benzetim sonuçları Tablo-6 COA-2’nin başarım parametreleri 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.

  28. Önerilen COA-3yapısı Şekil-16COA-3’ün şematik gösterimi

  29. Önerilen COA-3 yapısı • 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

  30. Önerilen COA-3 yapısı • Önerilen COA yapısının çıkış direnci ise, • 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.

  31. COA-3benzetim sonuçları Tablo-8 COA-3 tranzistor boyutları • Benzetimler SPICE programı ile yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS teknolojisi kullanılmış ve tranzistorlar yüksek doğruluklu BSIM3v3 ile modellenmiştir. Tablo-7 COA-3 DC değerler

  32. COA-3benzetim sonuçları Şekil-17. Giriş empedansı(n) genliği: (a) Önerilen giriş katı 1-Nominal case (124Ω) 2-En kötü hal - yüksek (200Ω) 3- En kötü hal - düşük (52Ω) (b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (3.8kΩ)

  33. COA-3benzetim sonuçları Şekil-18. Giriş empedansı(p) genliği: (a) Önerilen giriş katı 1-Nominal case (109Ω) 2-En kötü hal - yüksek (175Ω) 3- En kötü hal - düşük (47Ω) (b) Geleneksel A sınıfı giriş katı (2.2kΩ)

  34. COA-3benzetim sonuçları • Şekil-19’a göre, • Birim kazanç band-genişliği yaklaşık 90 MHz • Açık çevrim kazancı 100dB’de yakın • Faz payı 45˚ üzerinde Şekil-19COA-3’ün açık çevrim frekans cevabı.

  35. COA-3benzetim sonuçları Tablo-9 COA-3’ün başarım parametreleri 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.

  36. Önerilen COA-4yapısı Şekil-21COA-4’ün şematik gösterimi

  37. Önerilen COA-4 yapısı • 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. Önerilen COA-4 yapısı • 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, • Çıkış direnci kaskot yapıya oranla gmro kat iyileştirilmiştir.

  39. COA-4benzetim sonuçları Tablo-11 COA-4 tranzistor boyutları • Benzetimler SPICE programı ile yapılmıştır. AMS 0.35μm CMOS teknolojisi kullanılmış ve tranzistorlar yüksek doğruluklu BSIM3v3 ile modellenmiştir. Tablo-10 COA-4 DC değerler • DC kaynak olarak besleme gerilimlerinin dışında gerilim kaynağı kullanılmamıştır.

  40. COA-4benzetim sonuçları • Şekil-22’ye göre, • Birim kazanç band-genişliği 90 MHz’e yakın • Açık çevrim kazancıyaklaşık 100dB • Faz payı 45˚ üzerinde Şekil-22COA-4’ün açık çevrim frekans cevabı.

  41. COA-4benzetim sonuçları • Şekil-23’e göre, • Önerilen COA-4 yapısı -350μA ile +350μA giriş akım aralığında lineer olarak çalışmaktadır (20μA lik sükunet akımıyla). Şekil-23Birim kazançlı geribesleme yapısında, COA-4’ün giriş-çıkış akım karakteristiği.

  42. COA-4benzetim sonuçları Tablo-12 COA-4’ün başarım parametreleri 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. Yüksekkapasiteleri sürebilmektedir

  43. Uygulama devresi-1 Şekil-25Band-geçiren çoklu geribeslemeli (multiple feedback) COA tabanlı filtre yapısı • Süzgeç benzetimlerinde Şekil-7 deki COA-1 yapısı kullanılmıştır.

  44. Uygulama devresi-1 Şekil-27 BGS’in toplam harmonik distorsiyon (THD) değerlerinin girişe uygulanan işaretin tepeden tepeye genliğiyle değişimi (f=10MHz) Şekil-26 Önerilen band-geçiren süzgecin (BGS) frekans cevabıfo=10Mhz.

  45. Uygulama devresi-2 • 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. Şekil-28 (a) COA tabanlı alçak geçiren süzgeç yapısı (b) COA tabanlı yüksek geçiren süzgeç yapısı

  46. Uygulama devresi-2 • Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü üzere, AGS’in wo ve Q değerleri birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir. • Aşağıdaki denklemlerde görüldüğü ğzere, YGS’in wove Q değerleri birbirinden bağımsız olarak - Orthogonally Adjustable değiştirilebilir.

  47. Uygulama devresi-2 Şekil-29 Önerilen band-geçiren süzgecin (BGS) benzetim ve ideal haldeki frekans cevaplarıfo=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.

  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

  49. Uygulama devresi-3 Şekil-33 BSS’in toplam harmonik distorsiyon (THD) değerlerinin girişe uygulanan işaretin tepeden tepeye genliğiyle değişimi (f=10kHz) Şekil-32 Önerilen band-söndüren süzgecin (BSS) benzetim ve ideal haldeki frekans cevaplarıfo=400 kHz

  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

More Related