elektronik ve haberleşme mühendisliği bölümü elektrik-elektronik fakültesi
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri
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
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme 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)>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
Giriş ve çıkış empedansı iyileştirme yöntemleri
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
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)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
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.
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
COA-1 benzetim 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)
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
COA-1 benzetim sonuçları
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
COA-1 benzetim sonuçları
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
Önerilen COA-2 yapısı
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
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
Önerilen COA-2 yapısı
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
COA-2 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 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
Tablo-5 COA-2 tranzistor boyutları
Tablo-4 COA-2 DC değerler
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
COA-2 benzetim 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)
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
Zin
(k-
ohm
) (a-1)
(a-2)
(a-3)
(b)
25
COA-2 benzetim sonuçları
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
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
40.0
80.0
120.0
CM
RR
(dB
)
(a)(b)
(c)
26
COA-2 benzetim sonuçları
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
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)
-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
COA-2 benzetim sonuçları
Parametre Değer
Güç Tüketimi 1.15 mW
Açık Çevrim Kazancı 107 dB
GBW 102 MHz
Faz Payı (Cc=0.8p, Rc=2k) 60˚
Çıkış Gerilimi Salınım Aralığı
±0.7 V
Yükselme Eğimi 163uA/ns
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
Önerilen COA-3 yapısı
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
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-3 yapısı
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
COA-3 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, 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
Tablo-8 COA-3 tranzistor boyutları
Tablo-7 COA-3 DC değerler
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
COA-3 benzetim 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)
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
COA-3 benzetim 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)
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
Zin
-p (
k-oh
m)
(a-1)
(a-2)
(a-3)
(b)
34
COA-3 benzetim sonuçları
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
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)
-50.00
0.00
50.00
100.00
Ai (
dB)
-100.00
0.00
100.00
200.00
Faz
(D
erec
e)
35
COA-3 benzetim sonuçları
Parametre Değer
Güç Tüketimi 0.66 mW
Açık Çevrim Kazancı 96 dB
GBW 92 MHz
Faz Payı (Cc=1.2p, Rc=2.4k) 60˚
Çıkış Gerilimi Salınım Aralığı
±0.6 V
Yükselme Eğimi 4uA/ns
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
Önerilen COA-4 yapısı
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
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,
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
COA-4 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)
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
Tablo-11 COA-4 tranzistor boyutları
Tablo-10 COA-4 DC değerler
Parametre Değer
VDD – VSS ±1.5 V
Ib 20μA
DC kaynak olarak besleme gerilimlerinin dışında gerilim kaynağı kullanılmamıştır.
40
COA-4 benzetim sonuçları
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
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)
-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
COA-4 benzetim sonuçları
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
COA-4 benzetim sonuçları
Parametre Değer
Güç Tüketimi 0.72 mW
Açık Çevrim Kazancı 100 dB
GBW 85 MHz
Faz Payı (Cc=1.2p, Rc=2.4k) 62˚
Çıkış Gerilimi Salınım Aralığı
±1 V
Çıkış AkımSalınım Aralığı
±250 uA
Yükselme Eğimi 100uA/ns
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