Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi

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